中國突破600℃以上耐高溫鈦合金3D打印技術，將應用于某型號飛機

南極熊導讀：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，一直屬于一個技術難題。2019年9月，耐600℃以上高溫的鈦合金3D打印技術，中國企業(yè)終于取得突破！

高溫鈦合金，具有優(yōu)異的熱強性、高比強度和良好的耐腐蝕性能，已經(jīng)成為航空、航天、艦船等高端裝備領域首選的新一代耐高溫高性能結構材料。但是由于高溫鈦合金工藝性能的特殊性以及相對較高的材料成本，在制造較復雜形狀和薄壁異型構件時，使用傳統(tǒng)工藝制造存在制造周期長、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，滿足高性能結構材料3D打印的需求，鑫精合激光科技發(fā)展（北京）有限公司（以下簡稱鑫精合）自2017年開始，就持續(xù)開展了大量技術研發(fā)工作。

激光沉積增材制造技術（LMD）原理

鑫精合采用激光沉積增材技術（俗稱送粉激光金屬3D打印技術）進行高溫鈦合金材料成形制造，能夠?qū)崿F(xiàn)大型復雜結構零部件的低成本、快速整體成形，極大地提高材料利用率，同時節(jié)省模具成本、減少加工周期，能夠很好的適應高端裝備領域?qū)�快速響應、智能制造的要求�?br />
△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，由機床或機器人引導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優(yōu)勢

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，實現(xiàn)任意復雜形狀金屬零件的成型制造。它在制造大型復雜高性能結構時具有高效率、低成本、高質(zhì)量等優(yōu)勢。因此，研究高溫鈦合金材料的激光熔化沉積制造技術具有重要的理論意義和實用價值。


天津鐳明LM-S2510激光沉積增材制造設備

耐溫600℃以上高溫鈦合金材料的激光沉積增材工藝

鑫精合技術研發(fā)團隊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性。同時，鑫精合與中國科學院金屬研究所、航天科工三院等單位合作，形成強強聯(lián)合，開展了Ti60、Ti65、Ti750等高溫鈦合金牌號及800℃度以上鈦合金基復合材料的材料開發(fā)、工藝摸索與設計應用技術研究，特別是通過六送粉頭同時噴射多種不同合金元素及復合材料的方式，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，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、負搭接長城形掃描策略，結合搭接率參數(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)的細微缺陷，實現(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激光沉積成形設備，制造出的600℃以上高溫鈦合金產(chǎn)品，已經(jīng)在某飛機型號領域得到裝機應用。


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

• 室溫抗拉強度達到1080MPa，屈服強度達到980MPa，延伸率達10%以上，沖擊韌性αKU達到30J/cm2以上；
• 600℃高溫拉伸強度可達700MPa，屈服強度達到560MPa，延伸率達到20%；
• 650℃高溫拉伸強度到達640MPa，屈服強度達到500MPa，延伸率接近30%；
• 600℃450MPa應力下的高溫持久達到30h以上；
• 650℃330MPa應力下的高溫持久平均達到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

測試項目	試驗溫度，℃	性能項目
		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)廣泛應用。這個技術的應用突破，將為我國高端裝備制造領域提供更強有力的高性能材料和工藝技術。