西空智造电子束3D打印钛铝合金复杂结构件取得重大进展

南极熊导读：国内电子束金属3D打印钛铝合金关键技术得到突破。

TiAl基合金具有低密度、高比强、高模量、高温抗氧化性等特点，比镍基高温合金减重约50%。电子束选区熔化金属3D打印技术制备TiAl基合金材料作为一种最新颖、 最前端的成形手段，被认为是成形TiAl基合金材料的不二之选，并以其独特的微区熔化、循环热处理、快速凝固等工艺优势，克服了铸造、铸锭冶金、粉末冶金组织粗大及凝固组织疏松等问题。由于其本身特性，对电子束成形过程带来了较大的技术挑战。目前，国内利用电子束设备完成TiAl基合金成形的公司屈指可数，能够成形大尺寸复杂结构件的公司更是寥寥无几。

2021年3月，南极熊获悉，西安空天机电智能制造有限公司（以下简称：西空智造）通过前期的不断努力取得重大进展，解决了电子束成形TiAl合金过程中粉末溃散（吹粉）、层间结合不足、铝元素挥发、致密度低、零件横纵组织性能不均一等技术难点问题。
△图1电子束粉末溃散瞬间

图1为电子束成形过程中前期粉末溃散现象，通过对预热工艺的优化升级，成功打印出了不同高度性能一致的高尺寸试棒，如图2所示，图3是纵向面微观组织。

△图2 电子束3D打印高度90mm  Ti-48Al-2Cr-2Nb拉伸试棒

△ 图3 沉积态均匀的微观组织

经后期的组织调控，使得Ti-48Al-2Cr-2Nb试件的横纵组织更均匀化，致密度可达到99.6%以上，下表为横纵试棒平均力学性能数据。

温度	屈服强度	抗拉强度	延伸率
650℃	≥410	≥500	≥1.2
室温	≥430	≥510	≥1.8

△表1 采用电子束技术Ti-48Al-2Cr-2Nb粉末打印的力学性能数据

在此基础上，西空智造又对制备大尺寸复杂结构件的工艺参数优化升级，对材料不同高度组织演变进行针对性的调控，对工艺参数及打印条件调控做出改动后，Ø110mm×66mm的高致密、无裂纹的Ti-48Al-2Cr-2Nb增压器涡轮成功成形，这也标志着西空智造成为首批可成形钛铝复杂结构件的企业。同时，通过对扫描路径及束斑聚焦的优化，攻克了薄壁曲形过渡件成形工艺难题。
  
△图3 电子束成形Ø110mm×66mm Ti-48Al-2Cr-2Nb合金增压器涡轮

通过对电子束扫描路径及成形温度优化后成形的Ti-48Al-2Cr-2Nb合金薄壁圆环曲形件。
  
△图4 电子束成形壁厚为1mm的圆环结构

据悉，美国GE航空已经正式宣布GE9XFAA发动机获得美国联邦航空管理局（FAA）的认证，目前该发动机已有300多个增材制造零部件，其中利用电子束选区熔融技术成形的钛铝低压涡轮叶片就是其中之一。现阶段，国内针对电子束成形钛铝过程中组织演变及精确控制方面缺少系统性研究，尤其是在电子束成形钛铝叶片面向工程化应用方面的基础更是薄弱。西空智造以现有的技术为基础，诚挚希望联合国内各大高校、航空航天研究院所、企事单位共同推进该领域、该技术的工程化应用，强强联合，攻坚克难，协同创新，为打好国家核心技术攻坚战贡献自己的力量。