激光增材製（zhì）造（zào）
鈦合金前景廣闊
陳靜 張（zhāng）國豪
金屬（shǔ）高性能（néng）增材製造與創新設計（jì）工業和
信息化部重（chóng）點實驗室
西北工業大學材（cái）料學院（yuàn）
鈦（tài）是繼鋼、鋁、鎂之後正在蓬勃發展的21世紀新型金屬。鈦（tài）的密度僅為鋼的（de）60%，其（qí）比強（qiáng）度遠高於其他金屬結構材料，同時具有無毒、無磁性、耐高溫、抗腐蝕、生物相容（róng）性好等特點。鈦合金所具有（yǒu）的這些獨特特性，使其在航空航天、化工、電力、汽車、生物醫（yī）學等領（lǐng）域（yù）得到廣泛應用。另一方麵，由於鈦合金性質活潑，冷熱加（jiā）工困難，原材料及製品往往價格高昂。鑒於此，擺（bǎi）脫了模具、工裝夾具束縛的自由成形3D打印技術為鈦合金（jīn）帶來了廣闊而光明的發展前景。
激光增材製造迎來飛速
發展
增材製造（也被稱為3D打印）技術在過去三十年裏得到了快速發展，基於分層（céng）切片的逐層堆積成形技術，增材製造能夠方便地實現從CAD模（mó）型到（dào）零部件實體的快速近淨成（chéng）形。這一（yī）技術目前所使用的原材料（粉末，絲材，液體）和（hé）載能束（shù）（激（jī）光，電子（zǐ）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（guāng）增材製造技術被西（xī）方（fāng）發（fā）達******列為重（chóng）點發展領域。
由於鈦合金本（běn）身（shēn）具有導熱係數小、激（jī）光吸收率大、凝固相結構（gòu）簡單（dān）的特點（diǎn），使得激光增材製造鈦合金具有易（yì）熱累積、熱應力和相變應力小等特點，因此激光增材製造技術首先在鈦合金中獲得了應用突破（pò）。當前兩種主（zhǔ）流的激光增材製造鈦合（hé）金技術主要是激光立體成形（Laser Solid Forming, LSF）技（jì）術和選區激光熔化（Selected Laser Melting, SLM）技術，其成形示意圖如圖1。
圖1. 兩種典型的激（jī）光增材製造技術原理圖（tú）
a.激光立體成形技術
b.選區激光熔化技（jì）術
激光增材製造鈦（tài）合金
組織性能特點
在激（jī）光增（zēng）材製造過程中, 高能量密度的激光束在很（hěn）短的時間內作用於很小的區域，導致激光熔池及其熱影響區通常具有高的冷（lěng）卻（què）速率，通常可以達到102∼ 106 K/s左右，呈現（xiàn）典型的近快速（sù）凝固和固態相變特征。激光增材製造的優（yōu）異鑄態組織特征為成形（xíng）構件表現出極（jí）高（gāo）的力學性能奠定了重要的技術基礎。
然而，在激（jī）光增材（cái）製造過程中，熔池中固液界麵前沿存在很大的正溫度梯度，凝固組織宏觀上表現為貫穿多個沉積層呈外延（yán）生長的粗大柱狀β晶。此外，逐層沉積的工藝特點使成形件每一點所經（jīng）曆的熱（rè）曆史複雜，晶內亞（yà）結構（gòu）的析出（chū）表現出明顯的不均勻性。這種組織特征導（dǎo）致3D打印結構件在承受載荷時（shí）表（biǎo）現出各向異性，損傷容限性能、疲勞性能等較鍛件低。
為了促進激光增材製造鈦合金在實際生產中的有序應用，美國賓夕法尼亞州立大學、俄（é）亥俄州（zhōu）立（lì）大學、英國伯明翰大學（xué）和諾丁漢大學、比利時魯汶大學、德國弗勞（láo）恩霍（huò）夫激光技術研究所、澳大利亞皇家墨爾本理工（gōng）大學和莫納什大學，以及中國西北工（gōng）業大學、北京航空（kōng）航（háng）天大學（xué）、南京航空航天（tiān）大學、華中科技大學等針對激光增材製造鈦合金展開了係統深入的研究。
激（jī）光增材製造鈦合金成形件的宏觀（guān）組織（zhī）由貫（guàn）穿（chuān）多個熔覆層呈外延生長（zhǎng）的粗大柱（zhù）狀胞晶（jīng）組成, 胞晶間距達到百微米, 柱狀晶主軸垂直於激光束掃描方向或略向光束掃描方向傾斜。初生柱狀晶內微（wēi）觀（guān）組織是由極（jí）少量針狀（zhuàng）、大量的魏氏板條及一定體積分數的板條間β相組成。這種組織在承受載荷時（shí）往往表現出較明顯的各向異性（xìng），沿（yán）沉積高度方向拉伸時其強度低（dī）而塑性（xìng）高（gāo），垂直於沉積高度方（fāng）向拉伸時則強（qiáng）度高而塑性低。
圖2. 激光增材製造鈦合（hé）金（jīn）宏（hóng）觀晶粒形態的主動調控
西北工業大學和北京航空航天大學深度挖掘激光（guāng）增材製造工藝特點，通過增大液固兩（liǎng）相區形核（hé）位數，使液態熔池等軸晶區增大（dà），從而（ér）獲得全等軸晶，實現激光增（zēng）材製造全（quán）柱狀晶到全等軸晶的可控轉變。圖2所示為激光增材製造高強鈦（tài）合金宏觀晶粒形態的（de）主動調控結果。隨後，進（jìn）一步通過沉積過程中對工（gōng）藝參數的調控以及後熱處理製度（dù）研究，基本實現了晶內亞結構的均勻（yún）化和等軸化（huà）調控。這些研究工（gōng）作努力（lì）的方向是提升激光增材製造鈦（tài）合金的綜合力學性能。
激（jī）光增（zēng）材製造鈦合金
工程應用（yòng）
鈦合金激（jī）光增材製造技術首先
在航空航天領域獲得應用突破
中國在（zài）激光增材製造技（jì）術的研（yán）究方（fāng）麵與（yǔ）歐美發達******同（tóng）步，特別是在飛機大型複雜（zá）鈦合金構件的激光增材製造研究和應用方麵居於國際領先地位。
西北工（gōng）業大學已建立了包括材料、工藝、裝備和應用技術在內的完整的（de）激光增材製造技術（shù）體係（xì），針對大型鈦合金構件的激光增材製造服務於中國商飛C919、歐洲Airbus A380大型客機和美國GE 公司航空發（fā）動機研製，實現了一次性整體激光增（zēng）材製（zhì）造國際***大尺寸（3100mm）鈦合金構件，如圖（tú）3所示。2018年秋西北工業大學-空中客車增材製造聯合實驗室順（shùn）利揭牌，這是（shì）Airbus公司首次與中國高校（xiào）在增（zēng）材製造領域設（shè）立聯合實驗室，旨在為增材（cái）製造技術（shù）進一（yī）步應用在飛機製造領域奠定堅實技術基礎。
北京航空航天大學突破（pò）飛（fēi）機鈦合（hé）金（jīn）等高性能難加（jiā）工（gōng）金屬大型整體主承力結構件激光增材製造工藝、裝備及應用關鍵技術，並已經在多個型號中獲得應用（yòng）。南京航空航（háng）天大學和（hé）華中科技大學重點針對選區激光熔化裝備研發（fā）、專用材料設計（jì）和成（chéng）形工藝及機理等方麵開展了較為係統的研究。
圖3. 激光增材製造C919飛機中央翼緣條（tiáo）
激光增材製造邁進批量定製化時代
近幾年（nián）來，隨著3D打印（yìn）技術的長（zhǎng）足發展，其應用逐漸從傳統製造技術的替代者（zhě）轉變為行業發展的引領（lǐng）者和驅動者，迎來了批量化定製時代（dài）。質量、成本、效率成為激光增材製造技術麵向（xiàng）工程應用的新一輪聚焦熱（rè）點。例如美國AMERICA MAKES確（què）定的（de）增材製造目標為：完全按照設計要求實現一致的、可重複的產品組織和性能。
西北工業大學開展了多層沉積條（tiáo）件下激光-粉末流-熔池耦合的匹配生長（zhǎng）穩定特性研究，解決了同步送（sòng）粉激光增材製造高效、高精度、長時穩定沉積控製的國際性難題（tí），顯著改善了尺寸精度和一致性，尺寸精度達到0.8mm/3000mm，尺寸精度離散度<5%，力學性能離散（sàn）度<5%。
鉑力特公司為推進選區激光熔化技術應對批量（liàng）化需求，研發多光源SLM設備，與Airbus公（gōng）司（sī）簽訂四激（jī）光器打印飛機產（chǎn）品研發科研合作項目，將測試使用鉑力特自主（zhǔ）研發的大尺寸激光選區熔覆設備BLT－S500打印飛機結構件的能力。德國Flaunhofer激光技術研究所也在開發多光源SLM設備，以（yǐ）期顯著提升打印效率。
歐洲航天局提出了以實現高技術金屬產品的高效（xiào）生產與零（líng）浪費為目標的增材製造( AMAZE) 項目（mù），以實現熔點在3500 ℃以下（xià）的金屬粉體在24 h內增材製（zhì）造出高強度（dù）、輕質、大型（xíng）金（jīn）屬結構件，其沉積效率（lǜ）高達數kg/h。
德國EOS公司聯（lián）合（hé）Daimler AG（戴姆勒汽車）、Premium Aerotec（飛機零配件製造（zào）商）發起名為NextGenAM的新一代增材製造試驗性生產線項目，旨在探索金屬3D打印在批量生（shēng）產中的自動化潛力。今（jīn）年5月該項目成功完成，證（zhèng）明激（jī）光增材製造可以自動化的實現經（jīng）濟、高（gāo）效的批量生產，全自動化使製造成本降低了50%。
★結語★
「鈦合金激光增材製造技術首先在（zài）航空航天領域獲得應用突破。當前，其應用逐漸從傳統製（zhì）造技術的替代（dài）者轉變為行業發展的引領者和驅動者，迎來了批量化（huà）定（dìng）製時代。質量、成本、效（xiào）率成（chéng）為激光增（zēng）材製造技術麵向工程應用的新一輪聚焦熱點。」
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END
公司在國內知（zhī）名專家教授的引（yǐn）領帶動下，組建了一支（zhī）國內******的超精密技術研發團隊，研發團隊在超精密（mì）機床的單元技術、切（qiē）削機理和工藝、成套技（jì）術及應用工（gōng）藝方麵具備豐富的技（jì）術經驗和實踐積（jī）累（lèi）。可為北京精密零件加工，北京鋁合金（jīn）異型（xíng）件加工製造相關產（chǎn）業提供優質的技術服（fú）務。
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文/選自《中國激光界》
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投稿郵箱：editor@chinalaser.org
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