西空智造電子束3D打印鈦鋁合金復雜結構件取得重大進展

南極熊導讀：國內電子束金屬3D打印鈦鋁合金關鍵技術得到突破。

TiAl基合金具有低密度、高比強、高模量、高溫抗氧化性等特點，比鎳基高溫合金減重約50%。電子束選區(qū)熔化金屬3D打印技術制備TiAl基合金材料作為一種最新穎、 最前端的成形手段，被認為是成形TiAl基合金材料的不二之選，并以其獨特的微區(qū)熔化、循環(huán)熱處理、快速凝固等工藝優(yōu)勢，克服了鑄造、鑄錠冶金、粉末冶金組織粗大及凝固組織疏松等問題。由于其本身特性，對電子束成形過程帶來了較大的技術挑戰(zhàn)。目前，國內利用電子束設備完成TiAl基合金成形的公司屈指可數(shù)，能夠成形大尺寸復雜結構件的公司更是寥寥無幾。

2021年3月，南極熊獲悉，西安空天機電智能制造有限公司（以下簡稱：西空智造）通過前期的不斷努力取得重大進展，解決了電子束成形TiAl合金過程中粉末潰散（吹粉）、層間結合不足、鋁元素揮發(fā)、致密度低、零件橫縱組織性能不均一等技術難點問題。
△圖1電子束粉末潰散瞬間

圖1為電子束成形過程中前期粉末潰散現(xiàn)象，通過對預熱工藝的優(yōu)化升級，成功打印出了不同高度性能一致的高尺寸試棒，如圖2所示，圖3是縱向面微觀組織。

△圖2 電子束3D打印高度90mm  Ti-48Al-2Cr-2Nb拉伸試棒

△ 圖3 沉積態(tài)均勻的微觀組織

經后期的組織調控，使得Ti-48Al-2Cr-2Nb試件的橫縱組織更均勻化，致密度可達到99.6%以上，下表為橫縱試棒平均力學性能數(shù)據。

溫度	屈服強度	抗拉強度	延伸率
650℃	≥410	≥500	≥1.2
室溫	≥430	≥510	≥1.8

△表1 采用電子束技術Ti-48Al-2Cr-2Nb粉末打印的力學性能數(shù)據

在此基礎上，西空智造又對制備大尺寸復雜結構件的工藝參數(shù)優(yōu)化升級，對材料不同高度組織演變進行針對性的調控，對工藝參數(shù)及打印條件調控做出改動后，Ø110mm×66mm的高致密、無裂紋的Ti-48Al-2Cr-2Nb增壓器渦輪成功成形，這也標志著西空智造成為首批可成形鈦鋁復雜結構件的企業(yè)。同時，通過對掃描路徑及束斑聚焦的優(yōu)化，攻克了薄壁曲形過渡件成形工藝難題。
  
△圖3 電子束成形Ø110mm×66mm Ti-48Al-2Cr-2Nb合金增壓器渦輪

通過對電子束掃描路徑及成形溫度優(yōu)化后成形的Ti-48Al-2Cr-2Nb合金薄壁圓環(huán)曲形件。
  
△圖4 電子束成形壁厚為1mm的圓環(huán)結構

據悉，美國GE航空已經正式宣布GE9XFAA發(fā)動機獲得美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）的認證，目前該發(fā)動機已有300多個增材制造零部件，其中利用電子束選區(qū)熔融技術成形的鈦鋁低壓渦輪葉片就是其中之一�，F(xiàn)階段，國內針對電子束成形鈦鋁過程中組織演變及精確控制方面缺少系統(tǒng)性研究，尤其是在電子束成形鈦鋁葉片面向工程化應用方面的基礎更是薄弱。西空智造以現(xiàn)有的技術為基礎，誠摯希望聯(lián)合國內各大高校、航空航天研究院所、企事單位共同推進該領域、該技術的工程化應用，強強聯(lián)合，攻堅克難，協(xié)同創(chuàng)新，為打好國家核心技術攻堅戰(zhàn)貢獻自己的力量。