北航在定向生長(zhǎng)柱晶及單晶鈦合金領(lǐng)域的3D打印技術(shù)

金屬3D打印現(xiàn)在變得越來(lái)越火，除了打印質(zhì)量得到提升之外，打印的尺寸也逐漸往大方向發(fā)展。鈦合金具有密度低、強(qiáng)度高、屈強(qiáng)比高、耐蝕性及高溫力學(xué)性能優(yōu)異等突出性能優(yōu)點(diǎn)，在石化、海洋、航空、航天、艦艇、冶金、兵器等工業(yè)機(jī)械裝備中廣泛用作關(guān)鍵高溫結(jié)構(gòu)件。尤其有著很好的生物特性，所以在人體植入物方面有著廣泛的應(yīng)用，但是因?yàn)榧庸け容^難，所以還是限制著鈦合金在一些領(lǐng)域的應(yīng)用，直到3d打印的出現(xiàn)。南極熊之前發(fā)布的中行邁特200萬(wàn)元一套的爐子來(lái)了，金屬3D打印材料粉末（鈦合金等）制造，這套設(shè)備就可以制造鈦合金粉末，并且用于3d打印。

南極熊之前也報(bào)道過(guò)來(lái)至北航“激光增材制造”王華明團(tuán)隊(duì)，并且實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)航天和飛機(jī)的結(jié)構(gòu)受力件的激光快速成型，中國(guó)第一架支線打飛機(jī)C919其中的有些部件就出自這個(gè)團(tuán)隊(duì)。團(tuán)隊(duì)的高性能金屬構(gòu)件激光增材制造技術(shù)已經(jīng)屬于國(guó)際領(lǐng)先水平，北航已經(jīng)開(kāi)始和中航工業(yè)集團(tuán)公司合作，在北京組建了中航天地激光科技有限公司成果產(chǎn)業(yè)化基地，為國(guó)家重大裝備制造業(yè)技術(shù)進(jìn)步發(fā)揮作用。

傳統(tǒng)方法提高高溫鈦合金高溫力學(xué)性能的主要方法是對(duì)近α鈦合金進(jìn)行固溶強(qiáng)化、控制β轉(zhuǎn)變組織及利用少量金屬硅化物沉淀強(qiáng)化。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，可制備出具有定向生長(zhǎng)挺直柱晶及單晶組織特征的各種形狀鈦合金錠材與各種復(fù)雜近凈成形零件，其高溫力學(xué)性能尤其是高溫蠕變性能、高溫持久壽命等高溫力學(xué)性能較工業(yè)鍛造 及鑄造等軸晶鈦合金大幅度提高，可廣泛適用于石化、海洋、航空、航天、艦艇、冶 金、兵器等工業(yè)中。我們一起來(lái)看一下北京航空航天大學(xué)在這一領(lǐng)域的進(jìn)展。

晶界是鈦合金等金屬結(jié)構(gòu)材料在長(zhǎng)期高溫服役條件下變形、裂紋萌生與擴(kuò)展的薄 弱環(huán)節(jié)，更是高溫條件下氧原子向鈦合金內(nèi)部快速滲透擴(kuò)散并進(jìn)而引發(fā)嚴(yán)重晶界脆性、氧擴(kuò)散層脆性和零件早期斷裂失效的快速通道。

若能消除高溫鈦合金關(guān)鍵 熱端零部件中垂直于受力方向的晶界(即橫向晶界)、制備出具有定向生長(zhǎng)挺直柱晶的鈦合金材料，這種材料的高溫力學(xué)性能尤其是高溫持久壽命、蠕變強(qiáng)度等高溫力學(xué)性能無(wú)疑將大幅度提高。再進(jìn)一步，若能完全消除晶界這一薄弱環(huán)節(jié)，制備出單晶鈦合金，那么鈦合金零件的性能則會(huì)有更為顯著的提高。

然而，由于高溫下鈦的高度化學(xué)活潑性，定向凝固過(guò)程中高溫鈦合金熔體幾乎會(huì)與所有高溫耐火材料模殼發(fā)生嚴(yán)重的化學(xué)反應(yīng)； 由于鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)很低，凝固冷卻速度慢，難以穩(wěn)定地在液－固界面前沿建立并維持定向凝固所需的冷卻速度與沿生長(zhǎng)方向的高的溫度梯度，鈦合金熔體將主要由型壁散熱而在其附近區(qū)域大量形核最終長(zhǎng)大為等軸晶，當(dāng)今所有金屬材料定向凝固技術(shù)均無(wú)法實(shí)現(xiàn)鈦合金的定向生長(zhǎng)。

北京航空航天大學(xué)的增材制造技術(shù)是通過(guò)在動(dòng)態(tài)密封氣氛可控加工保護(hù)室或密閉氣氛可控加工保護(hù)室(先抽真空后充惰性保護(hù)氣體)中，以高能束流作為熱源，將氣流或重力同步輸送的鈦合金粉末流在普通鈦合金基板上連續(xù)熔化沉積或逐層熔化沉積，無(wú)模自由成形直接制備具有定向生長(zhǎng)挺直柱晶組織、不同截面形狀的鈦合金錠材或任意復(fù)雜的鈦合金零件；采用選晶或者使用單晶籽晶的手段，連續(xù)熔化沉積可以制備出單晶鈦合金錠材，在單晶鈦合金基板上逐層熔化沉積還可制備出單晶鈦合金零件。

圖1連續(xù)熔化沉積方式制備定向生長(zhǎng)鈦合金柱晶棒材示意圖

圖2逐層熔化沉積方式制備定向生長(zhǎng)柱晶鈦合金板材的示意圖

圖3在單晶籽晶上采用連續(xù)熔化沉積方式制備定向生長(zhǎng)單晶鈦合金錠材示意圖

具體步驟如下：
第一步：將粒度為-60～+300目的鈦合金粉末放入送粉器中；

第二步：將鈦合金基板放入動(dòng)態(tài)密封氣氛可控加工保護(hù)室或密閉氣氛可控加工保 護(hù)室中并固緊；

第三步：將純度為99.99～99.999％的高純氬氣或氦氣惰性保護(hù)氣體充入動(dòng)態(tài)密封氣氛可控加工保護(hù)室中或?qū)⒚荛]氣氛可控加工保護(hù)室先抽真空度至10-1～10-3Pa再充入純度為99.99～99.999％的高純氬氣或氦氣惰性保護(hù)氣體至常壓；

第四步：導(dǎo)入高能束流熱源，同步開(kāi)啟送粉器輸送鈦合金粉末，要求鈦合金基板 表面與成形零件或錠材的結(jié)合區(qū)域表面局部被熔化，其中熱源根據(jù)所需制備鈦合金零件或錠材的形狀大小調(diào)節(jié)其功率、束斑形狀及束斑尺寸等參數(shù)，粉末輸送速率根據(jù)制 備零件及錠材的形狀大小等要求，與高能束功率、束斑尺寸、掃描速度、單層沉積高 度、連續(xù)提升速度(即連續(xù)熔化沉積增高速度)等相適配；

第五步：成形錠材或零件過(guò)程，通過(guò)高能束流熱源加工頭的連續(xù)提升(基板不動(dòng)) 或基板的連續(xù)下拉(熱源加工頭不動(dòng))，高能束流熱源將同步輸送的鈦合金粉末連續(xù) 熔化沉積在普通鈦合金基板上，制備具有定向凝固柱狀晶組織的鈦合金錠材；或利用高能束流熱源將同步輸送的鈦合金粉末連續(xù)或逐層沉積在鈦合金單晶籽晶或單晶基板上，制備具有單晶組織的鈦合金錠材或復(fù)雜零件；或高能束流光源沿零件CAD模型 斷面切片軌跡掃描，將同步輸送的鈦合金粉末逐層熔化沉積在普通鈦合金基板上，制備具有定向凝固柱狀晶組織的不同形狀及尺寸的鈦合金零件；

第六步：制備的定向凝固柱狀晶或單晶鈦合金零件或錠材冷卻至100℃以下后，打開(kāi)動(dòng)態(tài)密封氣氛可控加工保護(hù)室或密閉氣氛可控加工保護(hù)室，將其取出；

第七步：根據(jù)需要，對(duì)制備的定向凝固柱狀晶或單晶鈦合金零件或錠材進(jìn)行成分、 組織及性能測(cè)試。

本文參考資料：
專利：定向生長(zhǎng)柱晶及單晶鈦合金的制備方法-北京航空航天大學(xué)專利
EP2985369:METHOD FOR MANUFACTURING SiC SINGLE CRYSTAL
定向凝固與單晶材料制備-豆丁網(wǎng)

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來(lái)源：3d科學(xué)谷
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