前沿应用 | 激光增材制造钛合金前景广阔

来源：《中国激光界》
作者：陈静  张国豪
金属高性能增材制造与创新设计工业和
信息化部重点实验室
西北工业大学材料学院

钛是继钢、铝、镁之后正在蓬勃发展的21世纪新型金属。钛的密度仅为钢的60%，其比强度远高于其他金属结构材料，同时具有无毒、无磁性、耐高温、抗腐蚀、生物相容性好等特点。钛合金所具有的这些独特特性，使其在航空航天、化工、电力、汽车、生物医学等领域得到广泛应用。另一方面，由于钛合金性质活泼，冷热加工困难，原材料及制品往往价格高昂。鉴于此，摆脱了模具、工装夹具束缚的自由成形3D打印技术为钛合金带来了广阔而光明的发展前景。

激光增材制造迎来飞速发展
增材制造（也被称为3D打印）技术在过去三十年里得到了快速发展，基于分层切片的逐层堆积成形技术，增材制造能够方便地实现从CAD模型到零部件实体的快速近净成形。这一技术目前所使用的原材料（粉末，丝材，液体）和载能束（激光，电子束，电弧等）较多，其中以激光为载能束，以金属粉末或丝材为原材料的激光增材制造技术被西方发达国家列为重点发展领域。

由于钛合金本身具有导热系数小、激光吸收率大、凝固相结构简单的特点，使得激光增材制造钛合金具有易热累积、热应力和相变应力小等特点，因此激光增材制造技术首先在钛合金中获得了应用突破。当前两种主流的激光增材制造钛合金技术主要是激光立体成形（Laser Solid Forming, LSF）技术和选区激光熔化（Selected Laser Melting, SLM）技术，其成形示意图如图1。

图1. 两种典型的激光增材制造技术原理图

a.激光立体成形技术

b.选区激光熔化技术

激光增材制造钛合金组织性能特点

在激光增材制造过程中, 高能量密度的激光束在很短的时间内作用于很小的区域，导致激光熔池及其热影响区通常具有高的冷却速率，通常可以达到102～ 106 K/s左右，呈现典型的近快速凝固和固态相变特征。激光增材制造的优异铸态组织特征为成形构件表现出极高的力学性能奠定了重要的技术基础。

然而，在激光增材制造过程中，熔池中固液界面前沿存在很大的正温度梯度，凝固组织宏观上表现为贯穿多个沉积层呈外延生长的粗大柱状β晶。此外，逐层沉积的工艺特点使成形件每一点所经历的热历史复杂，晶内亚结构的析出表现出明显的不均匀性。这种组织特征导致3D打印结构件在承受载荷时表现出各向异性，损伤容限性能、疲劳性能等较锻件低。

为了促进激光增材制造钛合金在实际生产中的有序应用，美国宾夕法尼亚州立大学、俄亥俄州立大学、英国伯明翰大学和诺丁汉大学、比利时鲁汶大学、德国弗劳恩霍夫激光技术研究所、澳大利亚皇家墨尔本理工大学和莫纳什大学，以及中国西北工业大学、北京航空航天大学、南京航空航天大学、华中科技大学等针对激光增材制造钛合金展开了系统深入的研究。

激光增材制造钛合金成形件的宏观组织由贯穿多个熔覆层呈外延生长的粗大柱状胞晶组成, 胞晶间距达到百微米, 柱状晶主轴垂直于激光束扫描方向或略向光束扫描方向倾斜。初生柱状晶内微观组织是由极少量针状、大量的魏氏板条及一定体积分数的板条间β相组成。这种组织在承受载荷时往往表现出较明显的各向异性，沿沉积高度方向拉伸时其强度低而塑性高，垂直于沉积高度方向拉伸时则强度高而塑性低。

图2. 激光增材制造钛合金宏观晶粒形态的主动调控

西北工业大学和北京航空航天大学深度挖掘激光增材制造工艺特点，通过增大液固两相区形核位数，使液态熔池等轴晶区增大，从而获得全等轴晶，实现激光增材制造全柱状晶到全等轴晶的可控转变。图2所示为激光增材制造高强钛合金宏观晶粒形态的主动调控结果。随后，进一步通过沉积过程中对工艺参数的调控以及后热处理制度研究，基本实现了晶内亚结构的均匀化和等轴化调控。这些研究工作努力的方向是提升激光增材制造钛合金的综合力学性能。

激光增材制造钛合金工程应用
钛合金激光增材制造技术首先在航空航天领域获得应用突破

中国在激光增材制造技术的研究方面与欧美发达国家同步，特别是在飞机大型复杂钛合金构件的激光增材制造研究和应用方面居于国际领先地位。

西北工业大学已建立了包括材料、工艺、装备和应用技术在内的完整的激光增材制造技术体系，针对大型钛合金构件的激光增材制造服务于中国商飞C919、欧洲Airbus A380大型客机和美国GE 公司航空发动机研制，实现了一次性整体激光增材制造国际最大尺寸（3100mm）钛合金构件，如图3所示。2018年秋“西北工业大学-空中客车增材制造联合实验室”顺利揭牌，这是Airbus公司首次与中国高校在增材制造领域设立联合实验室，旨在为增材制造技术进一步应用在飞机制造领域奠定坚实技术基础。


北京航空航天大学突破飞机钛合金等高性能难加工金属大型整体主承力结构件激光增材制造工艺、装备及应用关键技术，并已经在多个型号中获得应用。南京航空航天大学和华中科技大学重点针对选区激光熔化装备研发、专用材料设计和成形工艺及机理等方面开展了较为系统的研究。

图3. 激光增材制造C919飞机中央翼缘条

激光增材制造迈进批量定制化时代
近几年来，随着3D打印技术的长足发展，其应用逐渐从传统制造技术的替代者转变为行业发展的引领者和驱动者，迎来了批量化定制时代。质量、成本、效率成为激光增材制造技术面向工程应用的新一轮聚焦热点。例如美国AMERICA MAKES确定的增材制造目标为：完全按照设计要求实现一致的、可重复的产品组织和性能。

西北工业大学开展了多层沉积条件下激光-粉末流-熔池耦合的匹配生长稳定特性研究，解决了同步送粉激光增材制造高效、高精度、长时稳定沉积控制的国际性难题，显著改善了尺寸精度和一致性，尺寸精度达到0.8mm/3000mm，尺寸精度离散度<5%，力学性能离散度<5%。

铂力特公司为推进选区激光熔化技术应对批量化需求，研发多光源SLM设备，与Airbus公司签订“四激光器打印飞机产品研发”科研合作项目，将测试使用铂力特自主研发的大尺寸激光选区熔覆设备BLT－S500打印飞机结构件的能力。德国Flaunhofer激光技术研究所也在开发多光源SLM设备，以期显著提升打印效率。

欧洲航天局提出了“以实现高技术金属产品的高效生产与零浪费为目标的增材制造”( AMAZE) 项目，以实现熔点在3500 ℃以下的金属粉体在24 h内增材制造出高强度、轻质、大型金属结构件，其沉积效率高达数kg/h。

德国EOS公司联合Daimler AG（戴姆勒汽车）、Premium Aerotec（飞机零配件制造商）发起名为“NextGenAM”的新一代增材制造试验性生产线项目，旨在探索金属3D打印在批量生产中的自动化潜力。今年5月该项目成功完成，证明激光增材制造可以自动化的实现经济、高效的批量生产，全自动化使制造成本降低了50%。

结语
「钛合金激光增材制造技术首先在航空航天领域获得应用突破。当前，其应用逐渐从传统制造技术的替代者转变为行业发展的引领者和驱动者，迎来了批量化定制时代。质量、成本、效率成为激光增材制造技术面向工程应用的新一轮聚焦热点。」