唐洪奎，卓君，馬寬，李安

西安歐中材料科技有限公司 陜西西安 710000

1 序言

鈦合金以其低密度、優(yōu)異的耐腐蝕性能、抗疲勞和抗裂紋擴(kuò)展性能、優(yōu)異的強(qiáng)塑比，受到廣泛關(guān)注[1]。作為一種綜合性能優(yōu)良的航空航天材料，大型整體鈦合金結(jié)構(gòu)件用量的高低已經(jīng)成為衡量國(guó)防裝備先進(jìn)性的重要標(biāo)志之一。

隨著航空航天結(jié)構(gòu)件一體化和輕量化設(shè)計(jì)的需求，導(dǎo)致鈦合金傳統(tǒng)制造工藝無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求。增材制造技術(shù)以“離散-堆積”為原理，將預(yù)打印三維模型建模后分層切片成離散數(shù)據(jù)，熱源熔融原材料實(shí)現(xiàn)逐點(diǎn)-逐層-逐面成形。增材制造技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于個(gè)性化定制、無(wú)需模具、生產(chǎn)周期短，尤其適合小批量、復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的成形制造[2]。增材制造技術(shù)根據(jù)熱源和原材料不同分為：基于金屬粉末增材制造的激光選區(qū)熔融成形（SLM）、電子束選區(qū)熔融成形（EBM）、激光立體成形（LENS）和基于金屬絲材增材制造的電弧熔絲增材制造（WAAM）、電子束熔絲增材制造技術(shù)（EBFFF）。這幾種技術(shù)由于熱源、工藝特點(diǎn)不同，因此所制備材料的組織特性、力學(xué)性能也均有不同。但是每種技術(shù)均有各自的優(yōu)勢(shì)，本文就航空航天領(lǐng)域常用的幾種增材制造技術(shù)制備鈦合金結(jié)構(gòu)件發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行研究分析，以供同行技術(shù)交流。

2 基于金屬粉末的增材制造技術(shù)

（1）激光選區(qū)熔融成形技術(shù) 激光選區(qū)熔融成形技術(shù)是用高密度激光按照CAD模型分層切片輪廓數(shù)據(jù)逐層熔化金屬粉末，實(shí)現(xiàn)金屬零件的直接增材制造。激光選區(qū)熔融成形技術(shù)得到的零件精度高、力學(xué)性能一致性好，適合傳統(tǒng)制造技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和對(duì)表面質(zhì)量要求高的零件生產(chǎn)。激光選區(qū)熔融成形技術(shù)相對(duì)其他技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用最為廣泛，典型的設(shè)備制造商有：EOS、Concept Laser、Reinshaw、SLM Solutions等。

報(bào)道最為廣泛的為GE公司利用激光選區(qū)熔融技術(shù)制備的一體化燃油噴嘴（見(jiàn)圖1），該燃油噴嘴已用在LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)上，每臺(tái)LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)有19個(gè)燃油噴嘴，目前已進(jìn)入工業(yè)化應(yīng)用[3]。中國(guó)航天科工306所已于2016年利用激光選區(qū)熔融成形技術(shù)成功地制造出了航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料燃燒室（見(jiàn)圖2）。將激光選區(qū)熔融技術(shù)與異種鈦合金（TA15與Ti2AlNb）過(guò)渡復(fù)合技術(shù)有效結(jié)合起來(lái)，克服了傳統(tǒng)鑄件整體強(qiáng)度低、連接口易斷裂等問(wèn)題，該試驗(yàn)件順利通過(guò)了力-熱聯(lián)合試驗(yàn)。

圖1 激光選區(qū)熔融制造一體化燃油噴嘴

圖2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料 燃燒室

激光選區(qū)熔融制備鈦合金力學(xué)性能優(yōu)于鑄件，略低于鍛件，影響力學(xué)性能的主要原因在于沉積態(tài)組織的不穩(wěn)定性和內(nèi)部缺陷的存在。目前，應(yīng)用于增材制造的鈦合金有TA15、TA19、TC4、TC11、TiAl等，而TC4（Ti-6Al-4V）因其良好的綜合性能，是航空航天用鈦合金材料中用量最大的一種。激光選區(qū)熔融冷卻速度極快，遠(yuǎn)超過(guò)TC4合金馬氏體相變的冷卻速度，初生β相在急速冷卻情況下發(fā)生無(wú)擴(kuò)散型相變，轉(zhuǎn)變?yōu)榉瞧胶猞?針狀馬氏體[4]，因此需要熱處理以獲得較佳強(qiáng)韌性配比。

常見(jiàn)內(nèi)部缺陷包括：氣孔、未熔合孔洞和裂紋。氣孔可能是由于工藝參數(shù)不當(dāng)導(dǎo)致氣體殘留于熔池內(nèi)部或者粉體內(nèi)部本身存在氣孔，尤其針對(duì)氣霧化制備的粉末，粉體液滴凝固過(guò)程中氣體不可避免地存留在粉體中，在打印過(guò)程中帶入打印件中[5]。未熔合孔洞產(chǎn)生的原因是熱輸入能量不足，導(dǎo)致無(wú)法產(chǎn)生足夠的熔融金屬液，使熔融金屬流動(dòng)困難，局部間隙無(wú)法有效填充。裂紋是打印過(guò)程中由于溫度梯度產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和材料內(nèi)部相變產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力累積，超過(guò)材料自身屈服強(qiáng)度產(chǎn)生的。針對(duì)上述打印缺陷，國(guó)內(nèi)外研究者從工藝策略和原材料不同方面進(jìn)行了研究。Ahsan等[6]對(duì)氣霧化法和等離子旋轉(zhuǎn)電極工藝制備的Ti-6Al-4V鈦合金粉末進(jìn)行激光選區(qū)熔融成形質(zhì)量對(duì)比，研究結(jié)果表明，等離子旋轉(zhuǎn)電極工藝制備的金屬粉末球形度更好，空心粉數(shù)量更少，打印件內(nèi)部質(zhì)量較氣霧化法好。針對(duì)未熔合孔洞問(wèn)題，研究者從掃描策略優(yōu)化出發(fā)，采用單向掃描、zig-zag掃描、正交掃描等掃描策略。楊永強(qiáng)等[7]提出正交掃描方式，即在一層掃描沉積完成后，對(duì)下一層掃描線間搭接處進(jìn)行掃描熔化，使搭接處形成良好的重熔區(qū)域，粉體材料充分熔化，然后再采用正交掃描方式，使各方向能量輸入均衡，減少掃描線間未熔合缺陷的產(chǎn)生。

（2）電子束選區(qū)熔融成形技術(shù) 電子束選區(qū)熔融成形是利用加速運(yùn)動(dòng)的電子束流在磁線圈的控制下，掃描熔融預(yù)先鋪放的金屬粉末，工作艙隨著掃描高度的增加而逐漸下降，最終完成打印成形。與激光選區(qū)熔融不同：電子束選區(qū)熔融在高真空環(huán)境中進(jìn)行，可嚴(yán)格避免空氣雜質(zhì)進(jìn)入打印件；電子束選區(qū)熔融掃描速度快，可達(dá)60cm3/h；預(yù)熱溫度高（可達(dá)1100℃），溫度可控性好，尤其適合TiAl等金屬間化合物打印[8]。電子束選區(qū)熔融設(shè)備典型制造商為GE Additive Arcam公司，根據(jù)產(chǎn)品分Q10、Q20和A2X幾種，主要應(yīng)用于生物醫(yī)療領(lǐng)域。近年來(lái)，電子束選區(qū)熔融技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用也迅速興起，例如，美國(guó)波音公司和CalRAM 公司、意大利Avio公司等針對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管、承力支座、起落架零件、發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等開(kāi)展了大量研究[9]。

意大利Avio公司利用電子束選區(qū)熔融成形技術(shù)成功制造了TiAl航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪葉片，在800℃屈服強(qiáng)度可達(dá)480MPa，具有良好的抗蠕變性能[10]。國(guó)內(nèi)清華大學(xué)和西北有色金屬研究院也較早地開(kāi)展了電子束選區(qū)熔融技術(shù)和設(shè)備的研發(fā)工作，在裝備制造和工藝開(kāi)發(fā)方面都積累了經(jīng)驗(yàn)。

電子束選區(qū)熔融鈦合金材料與激光選區(qū)熔融類似，均會(huì)產(chǎn)生氣孔或匙孔缺陷。這類氣孔或匙孔一方面是由于原材料粉末中的空心粉帶入，另一方面是電子束沖擊，金屬蒸氣與液體表面張力平衡的結(jié)果，屬于深穿透性電子束流的自有特性。因此要最大程度上減少氣孔或匙孔的產(chǎn)生，可以選用空心粉率低的等離子旋轉(zhuǎn)電極粉，同時(shí)優(yōu)化工藝參數(shù)，盡量減低能量輸入。電子束選區(qū)熔融由于在高真空環(huán)境下進(jìn)行，隨著真空度和溫度的提高，合金元素的蒸氣壓也升高，由此造成合金元素在真空中燒損。Schwerdtfeger等[11]制備TiAl合金航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪葉片研究發(fā)現(xiàn)（見(jiàn)圖3），隨著能量輸入的降低，Al損失逐漸減少。當(dāng)熱輸入和束流從1.1J/mm、9.2mA降到0.7J/mm、3.5mA時(shí)，Al損失從4.0%（原子分?jǐn)?shù)百分比）減小到1.0%。表明降低熱輸入在一定程度上可以減小元素?zé)龘p。

圖3 TiAl航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪葉片

（3）激光立體成形技術(shù)制備航空航天用鈦合金材料 激光立體成形技術(shù)是利用高能激光束快速熔融同步送進(jìn)的粉材，實(shí)現(xiàn)從三維模型到實(shí)體制造的一次性生產(chǎn)過(guò)程。激光立體成形技術(shù)相比較激光選區(qū)熔融，設(shè)備柔性好，可用于大型結(jié)構(gòu)件增材制造和修復(fù)，由于激光立體成形設(shè)備具有兩個(gè)以上送粉筒，可實(shí)現(xiàn)不同材料交替或同時(shí)送進(jìn)，因此適合梯度材料的研發(fā)。

王華明院士團(tuán)隊(duì)自1998年來(lái)一直致力于激光增材制造技術(shù)裝備研發(fā)和關(guān)鍵技術(shù)研究，成功生產(chǎn)出目前國(guó)內(nèi)飛機(jī)尺寸最大、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的鈦合金主承力關(guān)鍵構(gòu)件（見(jiàn)圖4）。西北工業(yè)大學(xué)的黃衛(wèi)東教授團(tuán)隊(duì)對(duì)大型鈦合金構(gòu)件變形、內(nèi)應(yīng)力、內(nèi)部冶金缺陷控制等方面的問(wèn)題進(jìn)行了研究，采用激光增材制造技術(shù)成功制造了C919大飛機(jī)上使用的Ti-6Al-4V合金翼肋上下緣條構(gòu)件，尺寸達(dá)450mm×350mm×3000mm，其靜載強(qiáng)度及疲勞性能均達(dá)到鍛件水平[12]。

圖4 尺寸大于5m的鈦合金主承力關(guān)鍵結(jié)構(gòu)

王華明院士曾提出目前影響“熱應(yīng)力控制和變形開(kāi)裂預(yù)防”以及構(gòu)件“內(nèi)部質(zhì)量和力學(xué)性能控制”等問(wèn)題是制約高性能大型激光立體成形結(jié)構(gòu)件發(fā)展和應(yīng)用的瓶頸[13]。美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室Kobryn等人[14]研究了熱處理和熱等靜壓對(duì)Ti6Al4V激光立體成形件微觀組織和性能的影響，試驗(yàn)證明，后熱處理降低了內(nèi)應(yīng)力，消除了層間氣孔等缺陷，使打印件沿沉積方向的韌性和疲勞性能極大地提高。北京航空航天大學(xué)陳博等[15]研究了激光立體成形鈦合金零件熱處理制度，研究表明，通過(guò)熱處理制度優(yōu)化使得鈦合金力學(xué)性能有所提高。

3 基于金屬絲材的增材制造技術(shù)

（1）電子束熔絲增材制造技術(shù) 美國(guó)麻省理工學(xué)院的V. R. Dave等人[16]最早提出了電子束熔絲增材制造技術(shù)。該技術(shù)是在高真空環(huán)境中，高能量密度電子束流轟擊金屬表面及同步送進(jìn)的絲材，使其熔化；隨著熱源遠(yuǎn)離，熔池凝固，如此反復(fù)完成堆積成形的過(guò)程。電子束熔絲增材制造技術(shù)沉積速率較高（可達(dá)15kg/h），且原材料利用率100%，可實(shí)現(xiàn)大尺寸結(jié)構(gòu)件的近凈成形。

美國(guó)Sciaky公司在電子束焊接基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了商用的電子束熔絲增材制造設(shè)備，根據(jù)客戶需求可定制不同尺寸設(shè)備。鑒于電子束設(shè)備復(fù)雜的構(gòu)造和高技術(shù)門(mén)檻，此類設(shè)備造價(jià)均很高，一套設(shè)備價(jià)格可達(dá)上千萬(wàn)。美國(guó)Sciaky公司聯(lián)合Lockheed Martin、Boeing等公司也在同時(shí)期合作開(kāi)展了研究，主要致力于大型航空金屬零件的制造（見(jiàn)圖5）。

圖5 電子束熔絲增材制造的機(jī)翼

（2）等離子電弧熔絲增材制造技術(shù) 等離子電弧熔絲增材制造是將等離子電弧作為熱源，同步熔融側(cè)向送進(jìn)的金屬絲材。英國(guó)科倫菲爾德大學(xué)在等離子電弧熔絲增材制造技術(shù)研究與應(yīng)用方面走在國(guó)際前沿。Stewart Williams教授研究團(tuán)隊(duì)已與歐洲航天局、龐巴迪等企業(yè)合作，成功制造了尺寸大于1.5m的鈦合金飛機(jī)機(jī)翼翼梁（見(jiàn)圖6）[17]。Norsk Titanium公司打印的鈦合金組件（見(jiàn)圖7）已完成了FAA認(rèn)證，已應(yīng)用在波音787上，一架波音787上預(yù)計(jì)可以使用1000個(gè)等離子電弧熔絲增材制造鈦合金組件。

圖6 等離子弧熔絲增材制造的鈦合金飛機(jī)機(jī)翼翼粱

圖7 等離子弧熔絲增材制造的鈦合金組件

不同于電子束熔絲增材制造設(shè)備的高成本，等離子電弧熔絲增材制造設(shè)備投入成本較低，一般僅需幾十萬(wàn)元。針對(duì)鈦合金組件而言，打印過(guò)程通常在氣氛保護(hù)艙中進(jìn)行。

王福德等[18]人研究發(fā)現(xiàn)等離子電弧熔絲增材制造由于熱輸入較大、冷卻速度較慢，鈦合金沉積態(tài)組織為粗大柱狀晶，且柱狀晶自底部生長(zhǎng)穿越多個(gè)沉積層，內(nèi)部組織為網(wǎng)籃組織和大量魏氏體組織。這種粗大柱狀晶會(huì)造成鈦合金靜態(tài)力學(xué)性能各向異性，為解決這種性能各向異性，Stewart Williams[19]提出采用碾壓的方式抑制柱狀晶生長(zhǎng)，研究證明：當(dāng)碾壓力為75kN時(shí)可提高材料性能。王福德團(tuán)隊(duì)采用超聲沖擊的方法在一定程度上也使柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變。等離子電弧熔絲增材制造大型鈦合金結(jié)構(gòu)件中的應(yīng)力控制與變形是目前影響該技術(shù)在大型承力結(jié)構(gòu)件中使用的主要問(wèn)題[20]。

4 結(jié)束語(yǔ)

增材制造技術(shù)是一項(xiàng)集材料科學(xué)、機(jī)械加工、逆向工程及數(shù)字制造等多學(xué)科為一體的新型技術(shù)，經(jīng)過(guò)近10年的蓬勃發(fā)展，其工藝技術(shù)和制造原理日趨成熟。增材制造技術(shù)的多元化發(fā)展使其可以滿足精細(xì)結(jié)構(gòu)、大尺寸毛坯結(jié)構(gòu)的需求，已在航空航天等高端裝備領(lǐng)域展示出了巨大的潛力和應(yīng)用前景。但目前增材制造材料種類不完善、內(nèi)部質(zhì)量和工藝過(guò)程不夠穩(wěn)定和精確、缺少成熟的在線監(jiān)控和反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)等都是限制其廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題。相信隨著科研的不斷進(jìn)展，定能穩(wěn)步推進(jìn)增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用。