激光增（zēng）材製造
鈦合（hé）金前景廣闊
陳靜 張國豪
金屬高性（xìng）能增材製造與創新設計工業和
信息化部重（chóng）點實驗室
西北工（gōng）業大（dà）學材料學院
鈦是繼鋼、鋁、鎂之後正在蓬勃發展的（de）21世紀新型金屬。鈦的密度僅為鋼的（de）60%，其比強（qiáng）度遠高於其他金屬結構材料，同時具有無毒、無磁（cí）性、耐高溫、抗腐蝕、生物相容性好等特點。鈦合金所具有的這些獨特特性，使其在航空航天、化工、電力、汽車、生物醫學等領域得到廣泛應用。另一方麵，由於鈦合金性質活潑，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（fù）的自由成形3D打印技術為鈦（tài）合金帶來了廣闊而（ér）光明（míng）的發展前（qián）景。
激光增（zēng）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（sān）十（shí）年裏得到（dào）了快速發展，基於（yú）分層切片的逐層堆積成形技（jì）術，增材（cái）製造能夠方便地實現從CAD模型到零部件（jiàn）實體（tǐ）的快速近淨成形。這（zhè）一技術目前所使用的原材料（粉末，絲材，液體）和載能束（激光，電子（zǐ）束，電弧等）較多，其中以激光為載（zǎi）能束，以金屬粉末或絲材為原材料的激光增材製造技術被西方發達******列為重點（diǎn）發展領域。
由於鈦合金本身具有導熱係數小（xiǎo）、激光吸收率大、凝（níng）固相結構簡單的特點，使得激光增材製造鈦合金具有易熱累積、熱應（yīng）力（lì）和相變應力小等特（tè）點（diǎn），因此激光增材製（zhì）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製造鈦合金技術主要是激光立體成形（Laser Solid Forming, LSF）技術和選區激光熔化（Selected Laser Melting, SLM）技術，其成（chéng）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（cái）製（zhì）造鈦合金
組織性能特點
在激光（guāng）增材製造過程中, 高（gāo）能量密（mì）度的（de）激光束在很短的時間內作用於（yú）很小的區域，導致激光熔池及其熱影響區通常具（jù）有高的冷卻速率，通常可以達到102∼ 106 K/s左右，呈（chéng）現典型的近快速凝固和固（gù）態相變特征。激光增材製造的優異鑄態組織特征為成形構件表（biǎo）現出極高的力學性能奠（diàn）定了重要（yào）的技術基礎。
然而，在（zài）激光增材製造過程（chéng）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（wéi）貫穿多個沉積層呈（chéng）外延生長的粗大柱狀β晶。此外，逐層沉積的工藝（yì）特點使（shǐ）成形件每一點所經曆的熱曆史複雜，晶內亞結構的析出表現出明顯（xiǎn）的不均勻性。這（zhè）種組織特征導致3D打印（yìn）結構（gòu）件在（zài）承受載荷時（shí）表現（xiàn）出各向異性，損傷容限（xiàn）性能、疲勞性能等較鍛件低。
為了促進激光增（zēng）材製造鈦合（hé）金在實際生產中的有序應用，美國賓夕法尼亞州立（lì）大學（xué）、俄亥俄州立大學、英國伯明翰大學和諾丁漢大學、比利時魯汶大學、德國弗勞恩霍夫激光技術研究所、澳大利亞皇家墨爾本（běn）理工大學和莫納什大學，以及中國西北工業大學、北京航空航天大學、南京（jīng）航空航天大學、華中科技（jì）大學等針對激光增材製造鈦合金展開了係統深入的研究（jiū）。
激光增材製造鈦合金成形件的宏觀（guān）組（zǔ）織由貫穿多個熔覆層呈外延生長（zhǎng）的粗大柱狀（zhuàng）胞晶組（zǔ）成, 胞晶間距（jù）達（dá）到百微米, 柱（zhù）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。初生柱狀晶內微觀（guān）組織是由極少量針狀、大量（liàng）的魏氏板條及一定體積分數的板條（tiáo）間β相（xiàng）組（zǔ）成。這種組織在承受載荷時往往（wǎng）表現出較明顯的各向異性，沿沉積高度方向拉伸時其強度（dù）低而塑性高，垂直於沉積高度方（fāng）向拉伸時則強度高而塑性低。
圖2. 激光增材製造鈦合金宏觀晶粒形態（tài）的主動調控（kòng）
西北工（gōng）業大學和北（běi）京航空航天大學（xué）深度（dù）挖掘激光（guāng）增材製造工藝特點（diǎn），通過增大液固（gù）兩相（xiàng）區形核（hé）位數（shù），使液態熔池等軸晶區增大，從而獲得全等軸晶，實現（xiàn）激光增材製造全柱狀晶到全等軸晶的（de）可控轉變。圖2所示為激光增材製造高強鈦合金宏觀晶粒形態的主動調（diào）控結果。隨後，進一步通過沉積過程中對工藝參數的（de）調控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控。這些研究工作努力的方向是提升激光增材製造鈦合金的綜合力學性能（néng）。
激光增材製造鈦合金
工程應用
鈦合（hé）金激光增材製（zhì）造技術（shù）首先
在航空航天（tiān）領域獲得（dé）應用突破
中國在激光增材製造技術的研究方麵與歐美（měi）發達******同步，特別是在飛機大型複雜鈦合金構件（jiàn）的激光增材製造研究和（hé）應用方麵居於國際領先地位。
西北（běi）工業大學已（yǐ）建立了包括材料（liào）、工藝、裝備和應（yīng）用技術在內的完整的激光增材製造（zào）技術體係，針對大（dà）型鈦合金構件（jiàn）的激光增材（cái）製造服務於中國商飛C919、歐洲Airbus A380大型客機和美國GE 公（gōng）司航空發動機研製，實現了一次性整（zhěng）體激（jī）光增材製造國際***大（dà）尺寸（3100mm）鈦（tài）合金構件，如圖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機製造領域（yù）奠定堅（jiān）實技術基礎。
北京（jīng）航空航天（tiān）大（dà）學突破飛機鈦合金等高性能難加工金屬大型整體主承力結構件激光（guāng）增材製造工藝、裝備及應（yīng）用（yòng）關鍵技術，並已經在多個型號中獲（huò）得（dé）應用。南京航空航天（tiān）大學和華中科技大學重點針對選區激光熔化（huà）裝備研發、專用材料設計和成形工藝及機理等方麵（miàn）開展了較為係統的研究。
圖3. 激（jī）光（guāng）增材製造C919飛機中央翼緣條
激光增材製造邁進批量定製化時代
近幾年來，隨著3D打印技（jì）術的長足發展，其應用逐漸從傳統製造（zào）技術的替代者轉變為行業發展的引（yǐn）領者和驅動者，迎來了批量化定製時代（dài）。質量（liàng）、成本（běn）、效率成為（wéi）激（jī）光增材製（zhì）造技（jì）術（shù）麵向工程應用的新一輪聚焦熱點。例如美國AMERICA MAKES確定的增材製造目標為：完全按照設計要求實現一致的、可重複的（de）產品組織和性能。
西北工業大學開展了多層沉積條件下激（jī）光-粉末流-熔池耦合的匹配生長穩定特性研究，解決了同步送粉激光增材製造高效、高精度、長時穩定沉（chén）積控製的國際性難題，顯著改（gǎi）善了尺寸精度和一（yī）致性（xìng），尺寸精度（dù）達到（dào）0.8mm/3000mm，尺寸精度離散度<5%，力學性能離散度<5%。
鉑（bó）力特（tè）公司為推進選區激光熔化技術應對批量化需求，研發多光源SLM設備，與Airbus公（gōng）司（sī）簽訂四激光器打印飛機產（chǎn）品研發科（kē）研合作項目，將測試使用鉑力特自主研發的（de）大尺寸激光選（xuǎn）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（shè）備，以期顯（xiǎn）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製造( AMAZE) 項目，以實現熔點在3500 ℃以下（xià）的金（jīn）屬粉（fěn）體在24 h內增材製造出高強度、輕質、大（dà）型（xíng）金屬結構件，其沉積效（xiào）率高達數kg/h。
德國EOS公司聯合Daimler AG（戴姆勒汽車）、Premium Aerotec（飛機零配件製造商（shāng））發起名為NextGenAM的新一代增材（cái）製造試驗性生產線項目，旨在探索金屬3D打印（yìn）在批量生產中的自動（dòng）化潛力。今年5月該項目（mù）成功完成，證明激光增材製造可以自動化（huà）的實現經濟、高效的批（pī）量生產，全自動化使製造成本降低了50%。
★結語（yǔ）★
「鈦合金激光增（zēng）材製（zhì）造技（jì）術首先（xiān）在航空航天領域獲得應用突破。當前，其應用逐漸從（cóng）傳統製造技（jì）術（shù）的替代（dài）者轉變為行（háng）業發展的引領者和（hé）驅動（dòng）者，迎來了批量化定製（zhì）時代。質量（liàng）、成本、效率成為激（jī）光增材製（zhì）造技術麵向工程應用的新一輪聚（jù）焦熱點（diǎn）。」
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END
公司在國內知名專家教授的引領帶動下，組建了一支國內******的超精密技術研發團隊，研發團隊在超精密（mì）機（jī）床的單元技術、切削機理和（hé）工（gōng）藝、成套技術及應用工（gōng）藝方麵具備豐富的技術經驗和實踐積累。可為（wéi）北京（jīng）精密零件加工，北京鋁合（hé）金異型（xíng）件加工製造相關產業提供優質的技術服務（wù）。
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文（wén）/選自《中國激光界》
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