激光增材製造
鈦合（hé）金前景廣闊
陳靜（jìng） 張國豪
金屬（shǔ）高性（xìng）能增材製造與創新（xīn）設計工（gōng）業和
信息化（huà）部重點（diǎn）實驗室
西北工業大學材料學院
鈦是繼鋼、鋁、鎂之後正在（zài）蓬勃發展的21世紀新型金屬。鈦的密度僅為鋼的60%，其比強度（dù）遠高於其他金屬結構材（cái）料，同時具有無毒、無磁性、耐高溫、抗腐（fǔ）蝕、生物相容（róng）性好等特點。鈦合金所具有的這些（xiē）獨特特性，使其在航空航天、化工、電力、汽車、生物醫學等（děng）領域（yù）得到廣泛應用。另一方麵，由於鈦合金性（xìng）質活潑，冷熱加工困難，原材料及製品往往價格高昂。鑒於此，擺脫了模具、工裝夾具束縛的自由成形3D打印技術為鈦合金帶來了廣闊而光明的發展前景。
激光增材製（zhì）造（zào）迎來（lái）飛速
發展
增材製（zhì）造（也被稱為3D打印）技術在過去三十年裏得到了快速發展，基於分層切片的逐層堆積成形技術，增材（cái）製造能夠方便地實現（xiàn）從CAD模型到零部件實體（tǐ）的快速近淨成形。這一技術目前所使用的原材料（liào）（粉末，絲材，液體（tǐ））和載（zǎi）能束（激（jī）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（yuán）材料的激光增材製造技術（shù）被西方（fāng）發達******列為重點發展領域。
由於（yú）鈦合（hé）金本身（shēn）具有導熱係數小、激光吸收率大、凝固相結構簡單的（de）特（tè）點，使（shǐ）得激光增材製造鈦合金具有易熱累積、熱應力和相變應力小（xiǎo）等特點，因此激光增（zēng）材製造技術首先在鈦合金中獲得了應用突破。當前兩種主流的激光增材（cái）製造（zào）鈦合金（jīn）技術主要是激光立體成形（Laser Solid Forming, LSF）技術和選（xuǎn）區激光熔化（Selected Laser Melting, SLM）技術，其成形示意圖如圖1。
圖1. 兩種典型的激光增材製造技術原理圖
a.激光立體成形技術
b.選區激光熔化技術
激光增材製造鈦合金
組織性能特點
在激光增材製造過程中, 高能量密度的激光束在很短的時間內作用（yòng）於很小的區域，導致激光熔池及其熱影響區通常具有（yǒu）高的冷卻速率，通常可以達到102∼ 106 K/s左右（yòu），呈現典型的近快（kuài）速凝固和固態相變特征。激光增（zēng）材製造的優異鑄態組織特征為成形構件表現出極高的力學（xué）性（xìng）能奠定了重要的技術基礎。
然而，在激光增材製造（zào）過程中，熔池中固液（yè）界麵前沿存在很大的正溫度梯度，凝（níng）固組織宏觀上表現為貫穿多個沉積層呈外延生長的粗大柱狀β晶。此外，逐層沉積的工藝特點使成形（xíng）件每一（yī）點所經曆的（de）熱曆史複雜，晶內（nèi）亞結構的析出表現出明顯的不均勻性。這種（zhǒng）組織特征導致3D打印結構件在承受載荷時（shí）表現出（chū）各向異性，損傷容限性能、疲勞性能等較鍛件低。
為了促（cù）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、俄亥俄州立大學、英國伯（bó）明翰大學和諾丁（dīng）漢大學、比利時魯（lǔ）汶大學、德國弗勞恩霍夫激光技術（shù）研（yán）究所、澳（ào）大利亞皇（huáng）家墨爾本理工大學和莫納什大（dà）學，以及（jí）中國西北工業（yè）大學、北京航空航（háng）天（tiān）大學、南京航空航天大學、華中科技大學等針對激光（guāng）增材製（zhì）造鈦合金展開了係統深入的研究。
激光增材（cái）製造鈦合（hé）金成（chéng）形件的（de）宏觀（guān）組織由貫穿多個熔覆層（céng）呈（chéng）外延生長的粗大柱狀胞晶組成, 胞晶間距（jù）達（dá）到百微米（mǐ）, 柱狀晶主軸垂直於激（jī）光束掃描方向或略（luè）向光束掃描方向傾斜。初生柱（zhù）狀晶內微觀組織是由極（jí）少量（liàng）針（zhēn）狀、大量（liàng）的魏氏板條及一定體積分數的板條間β相組（zǔ）成。這種（zhǒng）組織在承受載荷時（shí）往往表現出較明顯的各向異（yì）性，沿（yán）沉（chén）積高度方向拉（lā）伸（shēn）時其強度低而塑性高，垂直於（yú）沉積高度方向拉伸（shēn）時則強度（dù）高而塑性低。
圖2. 激光增材製造鈦合金宏觀晶粒形態的主（zhǔ）動調控
西（xī）北工業大學和北京航空航天大學（xué）深度（dù）挖掘激光增（zēng）材製造工藝特點（diǎn），通過增大液固兩相區形核位數，使液態熔池等軸晶區增大，從而獲得全等軸晶，實現激光增材製造（zào）全柱（zhù）狀晶到全等軸晶的可控轉變。圖2所示為激光（guāng）增（zēng）材製造高強（qiáng）鈦合金宏觀晶粒形態的主動調控（kòng）結果。隨後，進一（yī）步通過沉積過程中對工藝參數的調控（kòng）以及後熱處理製度研究，基本實現了晶內亞結構的均勻化和等軸化調（diào）控。這（zhè）些研（yán）究工作努力的方向是提升激光增材製（zhì）造鈦（tài）合（hé）金的綜（zōng）合力（lì）學（xué）性能。
激光增材製造鈦合金
工程應用
鈦合金激光增材製（zhì）造技術首先（xiān）
在航空航天領域獲（huò）得應用（yòng）突破
中國在激光增（zēng）材製造技術的研（yán）究方麵與歐（ōu）美發達******同步，特別是在飛機大型複雜鈦合金構（gòu）件的激光增材製造研究和應用（yòng）方麵居（jū）於國際領先地位。
西北（běi）工（gōng）業大學已建立了包括材料、工藝、裝備（bèi）和應用（yòng）技術在內的完整的激光增材製造技（jì）術體係（xì），針對大型鈦合金構件（jiàn）的激光（guāng）增材（cái）製（zhì）造服務於中國商飛C919、歐洲（zhōu）Airbus A380大型客機和美國GE 公司航空發動機（jī）研製（zhì），實現了一次性整體激光增材製（zhì）造（zào）國際***大尺寸（3100mm）鈦合金構件，如圖3所示。2018年秋西北工（gōng）業大學-空中客車增材製造聯合實驗室順利揭牌，這是Airbus公司首次與中國高校在增材製造領域設立聯合實驗室，旨在為增材製造技術進一步應用在飛（fēi）機製（zhì）造領域奠定堅實技術基（jī）礎。
北京航空航天大學突破飛機鈦（tài）合金等高性能難加工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（jì）術，並（bìng）已經在多個型號（hào）中獲得應用。南京（jīng）航空航天大學和華中（zhōng）科技大學重點針對選區激光熔化裝備（bèi）研發、專用材料設計和成（chéng）形工藝及機理等方麵開展了較為係統的（de）研究（jiū）。
圖3. 激光增材製造C919飛機中央翼緣條
激光增材製造邁進批（pī）量定製化時（shí）代
近幾年來，隨（suí）著3D打印技術的長足發展，其應用逐（zhú）漸從傳統製造技術的替（tì）代者轉變為行業發展的引領者和驅動者，迎來了批量化定（dìng）製時代。質（zhì）量、成本、效率成為激光增材製造技術麵向工程應用的新一輪聚焦熱（rè）點。例如美國AMERICA MAKES確定的增材（cái）製造目標為：完全按照設計要求實現一致的、可（kě）重複（fù）的產品組（zǔ）織和性能（néng）。
西北工業大學開展（zhǎn）了多層沉積條件下激光（guāng）-粉末流-熔（róng）池（chí）耦合的匹配生長穩（wěn）定特性研究，解決了同步送（sòng）粉激光增材製造高效、高精度（dù）、長時穩定沉（chén）積控製的國際（jì）性難題，顯著改善了尺寸精度和一致性，尺寸精度達到0.8mm/3000mm，尺（chǐ）寸精度離散度<5%，力學性能離散度<5%。
鉑力特公司為推進選區激光熔（róng）化技術應對（duì）批量化需（xū）求，研發多（duō）光源SLM設備，與Airbus公司簽訂（dìng）四激光器打印飛機產品研發（fā）科研合（hé）作項目，將測試使用鉑力特自主研發的大尺寸激光選區熔（róng）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（duō）光源SLM設備，以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生產與零浪費為目標的增材（cái）製造( AMAZE) 項目，以實現熔點在3500 ℃以下的（de）金屬（shǔ）粉體在24 h內增材製造出高強度、輕質、大型金屬結構件，其沉積效率高達數kg/h。
德國EOS公司聯合Daimler AG（戴（dài）姆勒汽車）、Premium Aerotec（飛機零配件製（zhì）造商）發起名為（wéi）NextGenAM的新一代增材製造試驗性生產線項目，旨在探索金屬3D打印在批量生產中的自動化潛力。今年5月該項目成功完成，證明激光增材製（zhì）造可（kě）以自動化的實現經濟、高效（xiào）的批量生產，全自動（dòng）化使製造成本降低了50%。
★結語★
「鈦（tài）合金激光增材製造技術首（shǒu）先在航空航天領域獲得應（yīng）用突破。當（dāng）前，其應用逐漸從傳（chuán）統製造（zào）技術的替代者轉變為行業發展的引領者和驅動（dòng）者，迎來了批量化（huà）定製時代。質量、成本、效率成為激光（guāng）增材製造技術麵向工程應用的新（xīn）一輪聚焦（jiāo）熱點。」
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END
公司在國（guó）內知名（míng）專家教授（shòu）的引領帶動（dòng）下，組（zǔ）建了一支國（guó）內******的超精密技術（shù）研（yán）發團隊，研發團隊在超精密機床的單元技術、切削（xuē）機理和工藝、成套技術及應用工藝方麵具備豐富的技術經驗和（hé）實踐積累。可為北京精密零件加工，北京（jīng）鋁合金異型件加工製造相關產業提供優質的技術服務。
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文/選（xuǎn）自《中國激光界》
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