鈦合金生產(chǎn)制造新方法——增材制造
增材制造技術(shù)的快速發(fā)展，為鈦合金的生產(chǎn)制造提供了新的方法，激光/電子束、熔焊和固態(tài)焊三種增材制造方法在鈦合金生產(chǎn)中得到了國(guó)內(nèi)學(xué)者的廣泛研究。研究表明，鈦合金采用增材技術(shù)可得到高質(zhì)量零件，但不同增材技術(shù)具有不同技術(shù)特征，實(shí)際應(yīng)用及未來發(fā)展中需要根據(jù)實(shí)際需求采用不同的增材方法。
1.序言 鈦及鈦合金因具有密度小、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)異的物理性能及化學(xué)性能，在各工業(yè)領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景，包括船舶制造、航天航空、汽車制造等，同時(shí)它也是國(guó)防工業(yè)的重要材料之一。鈦合金的應(yīng)用對(duì)工業(yè)發(fā)展起到巨大的推動(dòng)作用，優(yōu)于傳統(tǒng)材料的性能使其產(chǎn)品質(zhì)量有了很大提升，滿足了工業(yè)發(fā)展對(duì)新材料、新工藝的發(fā)展要求，加速了現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展。隨著鈦生產(chǎn)力的不斷改善，鈦合金已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)中的第三金屬。 增材制造（Additive Manufacturing，AM）又稱“3D打印”，是一種可以實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的無模成形的數(shù)字化制造技術(shù)，具有設(shè)計(jì)和制造一體化、加工精度高、周期短，產(chǎn)品物理化學(xué)性能優(yōu)異等特點(diǎn)。增材制造技術(shù)從20世紀(jì)70年代以來發(fā)展迅速，因其與傳統(tǒng)制造技術(shù)具有巨大差異，已然成為工業(yè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，在現(xiàn)代工業(yè)的多領(lǐng)域都得到了快速發(fā)展。 增材制造技術(shù)的迅速發(fā)展，理論上可以實(shí)現(xiàn)任何單一或多金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)，為復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的制造提供了新方法。鈦合金的增材制造技術(shù)，解決了精密結(jié)構(gòu)件的加工難題，進(jìn)一步加大了鈦合金的應(yīng)用范圍。伴隨著工業(yè)社會(huì)的迅速發(fā)展，鈦合金增材制造技術(shù)日新月異，按照增材制造技術(shù)的熱源不同，可將鈦合金增材制造技術(shù)分為激光/電子束增材制造、熔焊增材制造和固態(tài)焊增材制造三種方式。國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者通過不同的增材制造技術(shù)手段，優(yōu)化工藝方法，穩(wěn)定增材制造過程，減少或避免增材制造結(jié)構(gòu)缺陷產(chǎn)生，使鈦合金增材制造技術(shù)朝著綠色、高效、穩(wěn)定的方向繼續(xù)發(fā)展。 2. 激光/電子束增材制造 激光束和電子束作為高密度束源，能量密度高并可調(diào)控，被譽(yù)為21世紀(jì)最先進(jìn)的制造技術(shù)。目前激光/電子束增材制造主要分為激光金屬沉積（Laser Mental Deposition，LMD）技術(shù)、激光選區(qū)熔化（Selective Laser Melting，SLM）技術(shù)、電子束熔絲沉積（Electron Beam Free Form Fabrication，EBF3）技術(shù)、電子束選區(qū)熔化（Electron BeamMelting，EBM）技術(shù)，在鈦合金增材制造領(lǐng)域皆有廣泛研究。 2.1 激光金屬沉積（LMD） Mahamood等人采用LMD技術(shù)進(jìn)行了Ti6Al4V/TiC 的功能梯度材料（Functionally gradedmaterials，F(xiàn)GM）研究，根據(jù)早期經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行工藝優(yōu)化，獲得優(yōu)化后的功能梯度材料，對(duì)其組織、顯微硬度、耐磨性進(jìn)行表征。研究結(jié)果表明，采用優(yōu)化后工藝參數(shù)制造的功能梯度材料擁有更高的性能，硬度是基體硬度的4倍，高達(dá)1200HV。Silze等人利用新型半導(dǎo)體激光器采用LMD技術(shù)進(jìn)行Ti6Al4V的增材制造試驗(yàn)研究，LMD裝置是由6個(gè)200W半導(dǎo)體激光頭圓形環(huán)繞在進(jìn)給槍上（見圖1），激光束直徑0.9mm，可以實(shí)現(xiàn)方向獨(dú)立的焊接工藝過程，顯微結(jié)構(gòu)無缺陷。研究結(jié)果表明，隨著層間停留時(shí)間的延長(zhǎng)，冷卻時(shí)間增加，晶粒厚度降低，有助于提高材料的力學(xué)性能，采用LMD技術(shù)增材制造均能滿足鍛造Ti6Al4V所規(guī)定的最低屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度要求。 Heigel等人采用原位溫度、應(yīng)力實(shí)時(shí)測(cè)量與熱機(jī)模型結(jié)合有限元熱-應(yīng)力順序耦合模型的方式，研究了Ti6Al4V激光沉積增材制造過程中的熱、力演化過程，結(jié)果發(fā)現(xiàn)殘余應(yīng)力最大力出現(xiàn)在增材層的中心下方，向兩側(cè)方向應(yīng)力減小，隨著停留時(shí)間增加，層間溫度差變大，殘余應(yīng)力增大。左士剛利用TA15鈦合金球形粉末采用激光沉積技術(shù)進(jìn)行了Motor17鈦合金增材修復(fù)制造過程研究，研究了修復(fù)件組織特性與力學(xué)性能影響規(guī)律。結(jié)果表明，采用激光沉積技術(shù)增材修復(fù)后的TA15/Motor17修復(fù)件無焊接缺陷，修復(fù)件抗拉強(qiáng)度為1029MPa，采用退火處理后，力學(xué)性能明顯增強(qiáng)，抗拉強(qiáng)度基本可達(dá)Motor17鍛件標(biāo)準(zhǔn)，伸長(zhǎng)率優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)。 綜上所述，對(duì)于鈦合金的LMD技術(shù)增材制造相對(duì)較為穩(wěn)定，增材件力學(xué)性能基本滿足鍛件最低標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于某些特定需求鈦合金則要進(jìn)行增材制造后熱處理的方式達(dá)到使用要求。 2.2 激光選區(qū)熔化（SLM） 唐思熠等人采用SLM技術(shù)制備Ti6Al4V鈦合金試樣（見圖2），并對(duì)微觀組織、力學(xué)性能和致密化行為進(jìn)行了分析研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，激光功率從360W增加到400W時(shí)，致密度提高明顯；在400W后繼續(xù)增加功率，致密度受激光掃描速度的影響較大，最優(yōu)工藝參數(shù)下的試樣質(zhì)量遠(yuǎn)高于鍛件標(biāo)準(zhǔn)。 Polozov等人采用SLM技術(shù)進(jìn)行增材制造Ti-5Al、Ti-6Al-7Nb和Ti-22Al-25Nb塊狀合金，對(duì)Ti-Al-Nb系統(tǒng)進(jìn)行退火處理，對(duì)試樣進(jìn)行系統(tǒng)表征研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Ti-5Al可以采用SLM增材制造成鈦合金，Ti-6Al-7Nb和Ti-22Al-25Nb則需要在1350℃下熱處理才能完全溶解Nb顆粒，但是此時(shí)樣品氧含量較高，力學(xué)性能降低。 Fan等人研究了SLM技術(shù)增材制造Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo（Ti-6242）鈦合金在標(biāo)準(zhǔn)時(shí)效（595℃/8h）下的顯微組織穩(wěn)定性。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著激光掃描速度的提高，相對(duì)密度增加到99.5%后急劇下降到大約95.7%，時(shí)效老化處理的Ti-6242相對(duì)剛制成的Ti-6242抗拉強(qiáng)度從1437MPa提升至1510MPa，延展性從5%降低到1.4%，同時(shí)硬度也從410HV增加到450HV，β相顆粒的沉淀硬化作用是產(chǎn)生這種變化的重要原因。 Ren等人采用SLM技術(shù)增材制造進(jìn)行了Ti-Ni形狀記憶合金組織性能的研究工作，制備等原子Ti50Ni50（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）樣品，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在激光功率為40J/mm3，掃描速度為1000mm/s下可制造幾乎完全致密試樣，不同掃描速度對(duì)相組成、相變溫度和維氏硬度的影響作用有限，與傳統(tǒng)鑄件相比，SLM技術(shù)增材制造件擁有較高的真空壓縮和斷裂強(qiáng)度。 綜上所述，對(duì)于Ti6Al4V的SLM技術(shù)增材制造相對(duì)較容易實(shí)現(xiàn)，對(duì)于鈦與其他元素合金的SLM技術(shù)增材制造還需要做進(jìn)一步地研究，需要進(jìn)行預(yù)熱或者其他熱處理手段和進(jìn)行氧含量的控制手段來增強(qiáng)其他鈦合金SLM技術(shù)增材制造的力學(xué)性能，獲得高質(zhì)量的研究試樣。 2.3 電子束熔絲沉積（EBF3） 靳文穎研究了Motor4鈦合金的電子束熔絲沉積增材修復(fù)技術(shù)，進(jìn)行了普通Motor4焊絲和自制Motor4EH焊絲的增材修復(fù)性能對(duì)比。研究發(fā)現(xiàn)，采用自制Motor4EH焊絲的抗拉強(qiáng)度（905.23MPa）明顯高于Motor4普通焊絲（809.04MPa），硬度和沖擊韌度同樣較高，伸長(zhǎng)率可達(dá)原材料的90%以上，具有優(yōu)良的力學(xué)性能。 Chen等人進(jìn)行了電子束熔絲沉積Ti6Al4V變形控制研究（見圖3），電子束以100~150mA之間的掃描電流和低于100mm/s的速度工作，則可以形成薄壁件，掃描形式對(duì)殘余應(yīng)力分布影響不大，單向掃描變形更大，收縮變形在往返掃描情況下較為明顯，并且與電流變化成正比關(guān)系，同時(shí)，發(fā)現(xiàn)基板底部恒定溫度約束下，變形得到改善。 Yan等人研究了電子束熔絲沉積Ti6Al4V加強(qiáng)筋的殘余應(yīng)力與變形，研究發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)加強(qiáng)筋都對(duì)板產(chǎn)生不利的變形，縱向軌道比橫向軌道引起板更大的變形，加強(qiáng)筋的沉積軌跡對(duì)變形有很大影響，最大位移發(fā)生在與縱向軌道相關(guān)的加強(qiáng)筋的內(nèi)底邊緣，高殘余應(yīng)力區(qū)域主要集中在加強(qiáng)筋的根部。 綜上所述，對(duì)于鈦合金的電子束熔絲沉積增材制造的研究相對(duì)較少，主要偏向借助有限元分析軟件的變形控制等領(lǐng)域。分析認(rèn)為，電子束熔絲沉積增材制造可以克服傳統(tǒng)的鈦合金加工方式的弊端，借助有限元分析軟件更為實(shí)際應(yīng)用過程中提供了基礎(chǔ)理論的指導(dǎo)。 2.4 電子束選區(qū)熔化（EBM） Murr等人采用EBM增材制造的方法制備多孔泡沫Ti6Al4V，研究了剛度與密度之間的關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)泡沫具有實(shí)心孔和中空孔結(jié)構(gòu)，與實(shí)心、緊密的EBM制造件相比，中空孔結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與硬度成正比，強(qiáng)度高出40%，并且剛度與孔隙率成反比，采用EBM增材制造的泡沫材料在生物醫(yī)學(xué)、航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用具有巨大潛力。 許飛等人采用電子束選區(qū)熔化技術(shù)對(duì)制備的Motor4鈦合金開展了大功率高速光纖激光焊接試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，受EBM技術(shù)增材制造Motor4的晶粒尺寸差異的影響，激光焊接試驗(yàn)熔合區(qū)靠近上下表面的β柱狀晶組織相對(duì)細(xì)小。焊縫區(qū)顯微硬度高于增材區(qū)硬度，且頂部硬度較高。 Seifi等人研究利用EBM增材制造Ti-48Al-2Cr-2Nb的組織性能研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，所沉積的材料強(qiáng)度和硬度值超過了常規(guī)鑄造Ti-Al所獲得的強(qiáng)度和硬度值，這與目前測(cè)試的增材材料中存在更精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)相一致。 Surmeneva等人研究了采用EBM技術(shù)增材Ti–10%Nb（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）的組織性能研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過EBM技術(shù)元素Nb和Ti的粉末混合物中原位生產(chǎn)Ti-10%Nb合金，最大的Nb顆粒保留在EBM制造的樣品中，并且Nb僅部分?jǐn)U散到Ti中，如圖4所示，應(yīng)該對(duì)EBM工藝的參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行更多的研究，以實(shí)現(xiàn)更均勻的合金顯微組織。 綜上所述，對(duì)于Ti6Al4V的EBM研究相對(duì)較為廣泛，發(fā)現(xiàn)對(duì)于Ti-Nb合金的EBM技術(shù)增材制造仍難很好地解決Nb顆粒的擴(kuò)散問題，會(huì)導(dǎo)致顯微組織不均勻，因此對(duì)于Ti-xNb合金的增材制造還需要更多的工藝優(yōu)化試驗(yàn)進(jìn)行材料性能的提升。 3.熔焊增材制造 與其他增材制造方式相比，熔焊增材制造操作性更強(qiáng)，成本更低，但結(jié)構(gòu)可靠性相對(duì)較低。熔焊增材制造一般采用焊絲增材制造，但是由于基材和初始沉積層之間的熱梯度大，以及輻射和對(duì)流熱損失，會(huì)在制造的部件底部觀察到細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)。由于較低的熱梯度，傳熱速率較低，這阻礙了在增材過程的中間層形成細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)，而只在制造部件的中間形成長(zhǎng)的柱狀晶粒。 3.1 CMT電弧增材制造 李雷等人采用CMT電弧增材Motor4薄壁結(jié)構(gòu)，研究其增材層組織性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于增材過程熱循環(huán)的反復(fù)作用，原始β柱狀晶晶界、水平層帶條紋、馬氏體組織和網(wǎng)籃組織等形態(tài)出現(xiàn)在增材層中，由于時(shí)效作用，對(duì)中下部區(qū)域產(chǎn)生強(qiáng)化作用，造成上部增材層顯微硬度略低于中下部顯微硬度（見圖5）。 陳偉進(jìn)行了CMT電弧增材Motor4的微觀組織及力學(xué)性能研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在設(shè)定送絲速度為3.0m/min、焊接速度為0.48m/min的參數(shù)下，原始β晶粒剖面面積最小，CMT電弧增材制造Motor4鈦合金在870℃，1h/固溶爐冷（FC）+600℃、2h/固溶空冷（AC）下熱處理，獲得的各區(qū)域微觀組織較均勻，固溶處理后的材料塑性較高。 3.2 等離子弧增材制造 Lin等人采用PAW增材制造Ti6Al4V，在微觀結(jié)構(gòu)和顯微硬度方面進(jìn)行了研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，先前的β柱狀晶粒的外延生長(zhǎng)受到脈沖擾動(dòng)的抑制，這導(dǎo)致形成了具有接近等軸晶粒的柱狀晶粒，在沉積早期，由于熱循環(huán)不足，顯微硬度較低，在后續(xù)沉積中，硬度升高，在沉積層的頂部，不受連續(xù)熱循環(huán)的影響，導(dǎo)致第二相的體積減小，硬度值降低。 馬照偉進(jìn)行了旁路熱絲等離子弧增材制造鈦合金的組織性能研究（見圖6）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鈦合金增材構(gòu)件的橫向抗拉強(qiáng)度為977MPa，強(qiáng)度與Motor4母材的抗拉強(qiáng)度相當(dāng)，斷裂位置在增材直壁結(jié)構(gòu)尾部區(qū)域，這是由于橫向焊縫為連續(xù)熔化-凝固而來，焊縫中的缺陷和雜質(zhì)較少，使得橫向焊縫具有良好強(qiáng)度性能的鈦合金增材構(gòu)件的豎向抗拉強(qiáng)度為 936MPa，斷裂位置在增材直壁結(jié)構(gòu)上部區(qū)域，性能較橫向焊縫稍差。靠近母材的熱影響區(qū)硬度相對(duì)較低，出現(xiàn)了小范圍的軟化區(qū)，整體的豎向硬度差別并不明顯。 3.3 復(fù)合電弧增材制造 Pardal等人進(jìn)行了激光和CMT復(fù)合焊接增材制造Ti6Al4V的結(jié)構(gòu)件穩(wěn)定性研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，激光可用于穩(wěn)定焊接過程，減少焊接飛濺，改善電弧漂移的情況，改善單層和多層沉積的焊縫形狀，并將Ti6Al4V增材制造的沉積速率從1.7kg/h提高到2.0kg/h。 綜上所述，對(duì)于熔焊增材制造鈦合金主要集中在Motor4的研究中，多采用CMT、等離子等高效熔絲工藝方式，同時(shí)采用其他熱源輔助焊接的方式穩(wěn)定焊接過程，進(jìn)行鈦合金的增材制造。分析認(rèn)為，對(duì)于熔焊鈦合金增材制造的發(fā)展方向應(yīng)開拓研究制備鈦合金功能性材料，便于多領(lǐng)域全方位的應(yīng)用推廣，復(fù)合熱源的增材方式或其他可控?zé)彷斎氲姆€(wěn)定 增材方式會(huì)成為熔焊增材的熱門研究方向。 4.固態(tài)焊增材制造 4.1 攪拌摩擦增材制造（FSAM） 攪拌摩擦增材制造是一種從攪拌摩擦焊接技術(shù)發(fā)展而來的固相增材技術(shù)，原理如圖7所示。增材效率高、成本低；在增材過程中沒有金屬的熔化和凝固，可以避免熔池帶來的冶金缺陷問題，同時(shí)攪拌摩擦過程中塑性變形還可以起到晶粒細(xì)化的作用，獲得低成本、高質(zhì)量增材產(chǎn)品。 張昭等人基于Abaqus生死單元法和移動(dòng)熱源法建立兩種攪拌摩擦增材制造Ti6Al4V有限元模型，研究攪拌摩擦增材的溫度分布和晶粒生長(zhǎng)情況。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，橫向增材峰值溫度大于縱向增材峰值溫度，在攪拌區(qū)冷卻及增材累積過程晶粒粗化，并且由β相轉(zhuǎn)變?yōu)棣料啵捎诓煌瑹嵫h(huán)次數(shù)的影響，低層攪拌區(qū)晶粒尺寸較大，高層攪拌區(qū)晶粒尺寸較小。 4.2 超聲波增材制造（UAM） 超聲波增材制造（UAM）是一種新的快速成形工藝，用于在室溫或接近室溫的條件下制造金屬基復(fù)合材料。較低的加工溫度使復(fù)合材料能夠通過利用嵌入在基體中的高度預(yù)應(yīng)變的形狀記憶合金（SMA）纖維產(chǎn)生的回復(fù)應(yīng)力。 Hahnlen等人利用UAM技術(shù)制造NiTi-Al復(fù)合結(jié)構(gòu)界面強(qiáng)度研究，纖維-基體界面的強(qiáng)度是UAM復(fù)合材料的限制因素。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，平均界面剪切強(qiáng)度為7.28MPa，纖維與界面結(jié)合方式是機(jī)械鍵合，未發(fā)生化學(xué)鍵合或冶金鍵合方式。 為提高碳纖維增強(qiáng)材料（CFRP）的承重能力，使其能在航空航天和汽車工業(yè)上進(jìn)一步推廣應(yīng)用，James等人進(jìn)行了CFRP/Ti的超聲波增材制造中剪切破壞強(qiáng)度的研究，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用UAM技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)CFRP/Ti的結(jié)構(gòu)制造，超聲波能量和表面粗糙度都對(duì)UAM制成結(jié)構(gòu)的剪切強(qiáng)度產(chǎn)生積極影響，在焊接前增加界面的表面粗糙度有助于增加最終焊縫的剪切破壞負(fù)荷。 綜上所述，關(guān)于超聲波增材制造鈦合金的研究較少，主要進(jìn)行的是金屬基復(fù)合材料的研究，以增強(qiáng)復(fù)合材料的特定性能滿足實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用，分析認(rèn)為，在未來研究中，應(yīng)側(cè)重于提升復(fù)合材料的力學(xué)性能研究方向。 5 結(jié)束語 隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，輕量化的設(shè)計(jì)成為結(jié)構(gòu)件的發(fā)展方向，對(duì)結(jié)構(gòu)件的性能和質(zhì)量要求變的越來越嚴(yán)格，鈦合金增材制造技術(shù)的迅速發(fā)展，可以進(jìn)一步擴(kuò)大鈦合金結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用范圍，提高鈦合金增材件的性能，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。綜合國(guó)內(nèi)外所研究的鈦合金增材制造技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展方向，未來鈦合金增材制造技術(shù)注定將朝著綠色、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定、快速的方向發(fā)展。 1）從綠色發(fā)展方向來看，攪拌摩擦增材制造起步階段較晚，還處于試驗(yàn)研究階段，未來進(jìn)行多金屬材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)增材制造，實(shí)現(xiàn)特定結(jié)構(gòu)的特種性能，將是該技術(shù)的一個(gè)研究方向。 2）對(duì)于經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定的發(fā)展方向，則需要進(jìn)行電弧增材的穩(wěn)定性過程探索，尤其是新型復(fù)合電弧增材制造的穩(wěn)定性研究。 3）對(duì)于快速性的發(fā)展方向，目前階段激光/電子束增材制造工藝相對(duì)較為成熟，應(yīng)繼續(xù)探究激光增材制造的經(jīng)濟(jì)適用性，從實(shí)際生產(chǎn)中的裝配精度到生產(chǎn)制造中的工藝優(yōu)化過程，進(jìn)而降低生產(chǎn)成本，為鈦合金增材制造結(jié)構(gòu)件大面積的生產(chǎn)應(yīng)用打下基礎(chǔ)。 本文發(fā)表于金屬加工《熱加工》2023年第7期，16-21頁， 作者： 廣東省焊接技術(shù)研究所（廣東省中烏研究院） 董春林，譚錦紅，林志成，王春桂，趙運(yùn)強(qiáng) ， 原標(biāo)題：《鈦合金增材制造技術(shù)研究進(jìn)展 》
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