前沿應(yīng)用 | 激光增材制造鈦合金前景廣闊

來(lái)源：《中國(guó)激光界》
作者：陳靜  張國(guó)豪
金屬高性能增材制造與創(chuàng)新設(shè)計(jì)工業(yè)和
信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院

鈦是繼鋼、鋁、鎂之后正在蓬勃發(fā)展的21世紀(jì)新型金屬。鈦的密度僅為鋼的60%，其比強(qiáng)度遠(yuǎn)高于其他金屬結(jié)構(gòu)材料，同時(shí)具有無(wú)毒、無(wú)磁性、耐高溫、抗腐蝕、生物相容性好等特點(diǎn)。鈦合金所具有的這些獨(dú)特特性，使其在航空航天、化工、電力、汽車、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。另一方面，由于鈦合金性質(zhì)活潑，冷熱加工困難，原材料及制品往往價(jià)格高昂。鑒于此，擺脫了模具、工裝夾具束縛的自由成形3D打印技術(shù)為鈦合金帶來(lái)了廣闊而光明的發(fā)展前景。

激光增材制造迎來(lái)飛速發(fā)展
增材制造（也被稱為3D打印）技術(shù)在過(guò)去三十年里得到了快速發(fā)展，基于分層切片的逐層堆積成形技術(shù)，增材制造能夠方便地實(shí)現(xiàn)從CAD模型到零部件實(shí)體的快速近凈成形。這一技術(shù)目前所使用的原材料（粉末，絲材，液體）和載能束（激光，電子束，電弧等）較多，其中以激光為載能束，以金屬粉末或絲材為原材料的激光增材制造技術(shù)被西方發(fā)達(dá)國(guó)家列為重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域。

由于鈦合金本身具有導(dǎo)熱系數(shù)小、激光吸收率大、凝固相結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，使得激光增材制造鈦合金具有易熱累積、熱應(yīng)力和相變應(yīng)力小等特點(diǎn)，因此激光增材制造技術(shù)首先在鈦合金中獲得了應(yīng)用突破。當(dāng)前兩種主流的激光增材制造鈦合金技術(shù)主要是激光立體成形（Laser Solid Forming, LSF）技術(shù)和選區(qū)激光熔化（Selected Laser Melting, SLM）技術(shù)，其成形示意圖如圖1。

圖1. 兩種典型的激光增材制造技術(shù)原理圖

a.激光立體成形技術(shù)

b.選區(qū)激光熔化技術(shù)

激光增材制造鈦合金組織性能特點(diǎn)

在激光增材制造過(guò)程中, 高能量密度的激光束在很短的時(shí)間內(nèi)作用于很小的區(qū)域，導(dǎo)致激光熔池及其熱影響區(qū)通常具有高的冷卻速率，通�？梢赃_(dá)到102～ 106 K/s左右，呈現(xiàn)典型的近快速凝固和固態(tài)相變特征。激光增材制造的優(yōu)異鑄態(tài)組織特征為成形構(gòu)件表現(xiàn)出極高的力學(xué)性能奠定了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。

然而，在激光增材制造過(guò)程中，熔池中固液界面前沿存在很大的正溫度梯度，凝固組織宏觀上表現(xiàn)為貫穿多個(gè)沉積層呈外延生長(zhǎng)的粗大柱狀β晶。此外，逐層沉積的工藝特點(diǎn)使成形件每一點(diǎn)所經(jīng)歷的熱歷史復(fù)雜，晶內(nèi)亞結(jié)構(gòu)的析出表現(xiàn)出明顯的不均勻性。這種組織特征導(dǎo)致3D打印結(jié)構(gòu)件在承受載荷時(shí)表現(xiàn)出各向異性，損傷容限性能、疲勞性能等較鍛件低。

為了促進(jìn)激光增材制造鈦合金在實(shí)際生產(chǎn)中的有序應(yīng)用，美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)、俄亥俄州立大學(xué)、英國(guó)伯明翰大學(xué)和諾丁漢大學(xué)、比利時(shí)魯汶大學(xué)、德國(guó)弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所、澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)和莫納什大學(xué)，以及中國(guó)西北工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、華中科技大學(xué)等針對(duì)激光增材制造鈦合金展開(kāi)了系統(tǒng)深入的研究。

激光增材制造鈦合金成形件的宏觀組織由貫穿多個(gè)熔覆層呈外延生長(zhǎng)的粗大柱狀胞晶組成, 胞晶間距達(dá)到百微米, 柱狀晶主軸垂直于激光束掃描方向或略向光束掃描方向傾斜。初生柱狀晶內(nèi)微觀組織是由極少量針狀、大量的魏氏板條及一定體積分?jǐn)?shù)的板條間β相組成。這種組織在承受載荷時(shí)往往表現(xiàn)出較明顯的各向異性，沿沉積高度方向拉伸時(shí)其強(qiáng)度低而塑性高，垂直于沉積高度方向拉伸時(shí)則強(qiáng)度高而塑性低。

圖2. 激光增材制造鈦合金宏觀晶粒形態(tài)的主動(dòng)調(diào)控

西北工業(yè)大學(xué)和北京航空航天大學(xué)深度挖掘激光增材制造工藝特點(diǎn)，通過(guò)增大液固兩相區(qū)形核位數(shù)，使液態(tài)熔池等軸晶區(qū)增大，從而獲得全等軸晶，實(shí)現(xiàn)激光增材制造全柱狀晶到全等軸晶的可控轉(zhuǎn)變。圖2所示為激光增材制造高強(qiáng)鈦合金宏觀晶粒形態(tài)的主動(dòng)調(diào)控結(jié)果。隨后，進(jìn)一步通過(guò)沉積過(guò)程中對(duì)工藝參數(shù)的調(diào)控以及后熱處理制度研究，基本實(shí)現(xiàn)了晶內(nèi)亞結(jié)構(gòu)的均勻化和等軸化調(diào)控。這些研究工作努力的方向是提升激光增材制造鈦合金的綜合力學(xué)性能。

激光增材制造鈦合金工程應(yīng)用
鈦合金激光增材制造技術(shù)首先在航空航天領(lǐng)域獲得應(yīng)用突破

中國(guó)在激光增材制造技術(shù)的研究方面與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家同步，特別是在飛機(jī)大型復(fù)雜鈦合金構(gòu)件的激光增材制造研究和應(yīng)用方面居于國(guó)際領(lǐng)先地位。

西北工業(yè)大學(xué)已建立了包括材料、工藝、裝備和應(yīng)用技術(shù)在內(nèi)的完整的激光增材制造技術(shù)體系，針對(duì)大型鈦合金構(gòu)件的激光增材制造服務(wù)于中國(guó)商飛C919、歐洲Airbus A380大型客機(jī)和美國(guó)GE 公司航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制，實(shí)現(xiàn)了一次性整體激光增材制造國(guó)際最大尺寸（3100mm）鈦合金構(gòu)件，如圖3所示。2018年秋“西北工業(yè)大學(xué)-空中客車增材制造聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室”順利揭牌，這是Airbus公司首次與中國(guó)高校在增材制造領(lǐng)域設(shè)立聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，旨在為增材制造技術(shù)進(jìn)一步應(yīng)用在飛機(jī)制造領(lǐng)域奠定堅(jiān)實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)。


北京航空航天大學(xué)突破飛機(jī)鈦合金等高性能難加工金屬大型整體主承力結(jié)構(gòu)件激光增材制造工藝、裝備及應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，并已經(jīng)在多個(gè)型號(hào)中獲得應(yīng)用。南京航空航天大學(xué)和華中科技大學(xué)重點(diǎn)針對(duì)選區(qū)激光熔化裝備研發(fā)、專用材料設(shè)計(jì)和成形工藝及機(jī)理等方面開(kāi)展了較為系統(tǒng)的研究。

圖3. 激光增材制造C919飛機(jī)中央翼緣條

激光增材制造邁進(jìn)批量定制化時(shí)代
近幾年來(lái)，隨著3D打印技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展，其應(yīng)用逐漸從傳統(tǒng)制造技術(shù)的替代者轉(zhuǎn)變?yōu)樾袠I(yè)發(fā)展的引領(lǐng)者和驅(qū)動(dòng)者，迎來(lái)了批量化定制時(shí)代。質(zhì)量、成本、效率成為激光增材制造技術(shù)面向工程應(yīng)用的新一輪聚焦熱點(diǎn)。例如美國(guó)AMERICA MAKES確定的增材制造目標(biāo)為：完全按照設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)一致的、可重復(fù)的產(chǎn)品組織和性能。

西北工業(yè)大學(xué)開(kāi)展了多層沉積條件下激光-粉末流-熔池耦合的匹配生長(zhǎng)穩(wěn)定特性研究，解決了同步送粉激光增材制造高效、高精度、長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定沉積控制的國(guó)際性難題，顯著改善了尺寸精度和一致性，尺寸精度達(dá)到0.8mm/3000mm，尺寸精度離散度<5%，力學(xué)性能離散度<5%。

鉑力特公司為推進(jìn)選區(qū)激光熔化技術(shù)應(yīng)對(duì)批量化需求，研發(fā)多光源SLM設(shè)備，與Airbus公司簽訂“四激光器打印飛機(jī)產(chǎn)品研發(fā)”科研合作項(xiàng)目，將測(cè)試使用鉑力特自主研發(fā)的大尺寸激光選區(qū)熔覆設(shè)備BLT－S500打印飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的能力。德國(guó)Flaunhofer激光技術(shù)研究所也在開(kāi)發(fā)多光源SLM設(shè)備，以期顯著提升打印效率。

歐洲航天局提出了“以實(shí)現(xiàn)高技術(shù)金屬產(chǎn)品的高效生產(chǎn)與零浪費(fèi)為目標(biāo)的增材制造”( AMAZE) 項(xiàng)目，以實(shí)現(xiàn)熔點(diǎn)在3500 ℃以下的金屬粉體在24 h內(nèi)增材制造出高強(qiáng)度、輕質(zhì)、大型金屬結(jié)構(gòu)件，其沉積效率高達(dá)數(shù)kg/h。

德國(guó)EOS公司聯(lián)合Daimler AG（戴姆勒汽車）、Premium Aerotec（飛機(jī)零配件制造商）發(fā)起名為“NextGenAM”的新一代增材制造試驗(yàn)性生產(chǎn)線項(xiàng)目，旨在探索金屬3D打印在批量生產(chǎn)中的自動(dòng)化潛力。今年5月該項(xiàng)目成功完成，證明激光增材制造可以自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、高效的批量生產(chǎn)，全自動(dòng)化使制造成本降低了50%。

結(jié)語(yǔ)
「鈦合金激光增材制造技術(shù)首先在航空航天領(lǐng)域獲得應(yīng)用突破。當(dāng)前，其應(yīng)用逐漸從傳統(tǒng)制造技術(shù)的替代者轉(zhuǎn)變?yōu)樾袠I(yè)發(fā)展的引領(lǐng)者和驅(qū)動(dòng)者，迎來(lái)了批量化定制時(shí)代。質(zhì)量、成本、效率成為激光增材制造技術(shù)面向工程應(yīng)用的新一輪聚焦熱點(diǎn)。」