中國突破600℃以上耐高溫鈦合金3D打印技術(shù)，將應(yīng)用于某型號(hào)飛機(jī)

南極熊導(dǎo)讀：鈦合金3D打印，已經(jīng)有很多送粉、鋪粉類的金屬3D打印廠商可以做；但是高溫鈦合金，一直屬于一個(gè)技術(shù)難題。2019年9月，耐600℃以上高溫的鈦合金3D打印技術(shù)，中國企業(yè)終于取得突破！

高溫鈦合金，具有優(yōu)異的熱強(qiáng)性、高比強(qiáng)度和良好的耐腐蝕性能，已經(jīng)成為航空、航天、艦船等高端裝備領(lǐng)域首選的新一代耐高溫高性能結(jié)構(gòu)材料。但是由于高溫鈦合金工藝性能的特殊性以及相對(duì)較高的材料成本，在制造較復(fù)雜形狀和薄壁異型構(gòu)件時(shí)，使用傳統(tǒng)工藝制造存在制造周期長(zhǎng)、材料利用率低、制造成本較高等問題，亟待開發(fā)新的制造工藝。

△高溫鈦合金材料激光沉積成形制件外觀（未做表面處理，耐600℃以上高溫）

南極熊了解到，為了解決上述問題，滿足高性能結(jié)構(gòu)材料3D打印的需求，鑫精合激光科技發(fā)展（北京）有限公司（以下簡(jiǎn)稱鑫精合）自2017年開始，就持續(xù)開展了大量技術(shù)研發(fā)工作。

激光沉積增材制造技術(shù)（LMD）原理

鑫精合采用激光沉積增材技術(shù)（俗稱送粉激光金屬3D打印技術(shù)）進(jìn)行高溫鈦合金材料成形制造，能夠?qū)崿F(xiàn)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件的低成本、快速整體成形，極大地提高材料利用率，同時(shí)節(jié)省模具成本、減少加工周期，能夠很好的適應(yīng)高端裝備領(lǐng)域?qū)�快速響�?yīng)、智能制造的要求。

△激光沉積增材制造工藝原理


以高功率激光為能量源，采用粉末同步送進(jìn)的方式，將待熔粉末直接送入高能束激光產(chǎn)生的熔池中，由機(jī)床或機(jī)器人引導(dǎo)高能束激光逐層按軌跡行走，層層堆積最終成型出三維立體金屬零部件。

激光沉積增材制造技術(shù)優(yōu)勢(shì)

可以精確控制能量輸入、光斑直徑（熔道寬度）、成形方式、掃描路徑和層厚，實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜形狀金屬零件的成型制造。它在制造大型復(fù)雜高性能結(jié)構(gòu)時(shí)具有高效率、低成本、高質(zhì)量等優(yōu)勢(shì)。因此，研究高溫鈦合金材料的激光熔化沉積制造技術(shù)具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。


天津鐳明LM-S2510激光沉積增材制造設(shè)備

耐溫600℃以上高溫鈦合金材料的激光沉積增材工藝

鑫精合技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)首先從材料與工藝的匹配性入手，研究掌握了系列化耐溫600℃以上高溫鈦合金材料的激光沉積增材工藝適應(yīng)性。同時(shí)，鑫精合與中國科學(xué)院金屬研究所、航天科工三院等單位合作，形成強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，開展了Ti60、Ti65、Ti750等高溫鈦合金牌號(hào)及800℃度以上鈦合金基復(fù)合材料的材料開發(fā)、工藝摸索與設(shè)計(jì)應(yīng)用技術(shù)研究，特別是通過六送粉頭同時(shí)噴射多種不同合金元素及復(fù)合材料的方式，很好解決了傳統(tǒng)冶煉過程偏析和難熔及多梯度溫度冶煉難等問題，解決材料開發(fā)中的工藝性限制問題。

經(jīng)過努力，鑫精合突破了600℃以上高溫鈦合金材料的激光沉積制造技術(shù)，掌握系列化高溫鈦合金材料的增材制造工藝。他們研發(fā)了高溫鈦合金材料分區(qū)成形策略、負(fù)搭接長(zhǎng)城形掃描策略，結(jié)合搭接率參數(shù)的合理控制，并采用在激光沉積增材制造過程中添加活性金屬粉末等方式，消除了高溫鈦合金激光沉積過程中可能出現(xiàn)的細(xì)微缺陷，實(shí)現(xiàn)了高溫鈦合金的高性能和高可靠性成形制造。

鑫精合旗下子公司天津鐳明的LM-S2510激光沉積成形設(shè)備，制造出的600℃以上高溫鈦合金產(chǎn)品，已經(jīng)在某飛機(jī)型號(hào)領(lǐng)域得到裝機(jī)應(yīng)用。


△高溫鈦合金激光沉積成形組織形貌（左圖:優(yōu)化前  右圖:優(yōu)化后）

3D打印的高溫鈦合金構(gòu)件，內(nèi)部組織均勻致密、缺陷可控，外觀平整勻稱，制件強(qiáng)度高、耐高溫性好，綜合性能優(yōu)異。以某牌號(hào)高溫鈦合金為例，金屬零件性能表現(xiàn)為：

• 室溫抗拉強(qiáng)度達(dá)到1080MPa，屈服強(qiáng)度達(dá)到980MPa，延伸率達(dá)10%以上，沖擊韌性αKU達(dá)到30J/cm2以上；
• 600℃高溫拉伸強(qiáng)度可達(dá)700MPa，屈服強(qiáng)度達(dá)到560MPa，延伸率達(dá)到20%；
• 650℃高溫拉伸強(qiáng)度到達(dá)640MPa，屈服強(qiáng)度達(dá)到500MPa，延伸率接近30%；
• 600℃450MPa應(yīng)力下的高溫持久達(dá)到30h以上；
• 650℃330MPa應(yīng)力下的高溫持久平均達(dá)到15h以上，并具有較高的斷裂韌性值KIC。
  

鑫精合增材制造高溫鈦合金材料典型性能

測(cè)試項(xiàng)目	試驗(yàn)溫度，℃	性能項(xiàng)目
		A/%	Z/%	Rm/MPa	Rp0.2/MP
室溫拉伸	20	12	23	1085	986
高溫拉伸	600	21	48	707	563
高溫拉伸	650	29	56	643	510

激光沉積增材制造的高溫鈦合金材料，以其良好的綜合性能，特別是600℃以上優(yōu)異的高溫性能，將有望在航空航天、艦船和化工等各行業(yè)廣泛應(yīng)用。這個(gè)技術(shù)的應(yīng)用突破，將為我國高端裝備制造領(lǐng)域提供更強(qiáng)有力的高性能材料和工藝技術(shù)。