BEAMIT开发3D打印轻质钛合金Ti6242工艺

导读：由于理想的强度和重量特性，汽车和航空航天领域对高温钛合金的需求正在增加。然而，工程重量比、复杂的结构、工作温度以及钛零件的发展速度对传统制造工艺提出了挑战。因此，增材制造技术成了制造商突破这一挑战的有力工具。

南极熊获悉，位于意大利福尔诺沃·迪·塔罗（Fornovo di Taro）的BEAMIT集团于2021年3月26日宣布已经开发了钛合金Ti6242的增材制造工艺。公司表示，Ti6242可用于制造赛车和航空应用部件，且性能优于传统技术加工的合金。

△BEAMIT工厂-Rubbiano（PR）

BEAMIT的激光粉末床熔合（LPBF）3D打印工艺可以生产出具有与其他材料相似的抗拉强度和耐热性水平的组件，但是它们的重量要轻得多。据公司称，新开发的工艺还可以通过废物预防和粉末回收来获得可持续性收益。尽管赛车领域可使用其他材料达到与Ti6242相似的拉伸强度，但重量要大得多。Ti6242可替代镍超合金制造的零件，例如排气装置和超音速飞机发动机材料，减轻重量的同时又不损失强度。

△BEAMIT集团总经理Andrea Scanavini

3D打印Ti6242

Ti6242具有轻质、高拉伸强度的特性，能够承受高达550°C的温度，可以打印复杂的形状。BEAMIT从2019年开始开发适用于LPBF加工的Ti6242增材制造工艺。Ti6242具有抗高温能力，能够生产轻质组件而又不影响抗拉强度。这使合金成为赛车和航空航天领域中轻量化和高性能组件的理想选择。BEAMIT团队着手通过LPBF工艺优化Ti6242在高温下的机械性能，从而实现了高达1kMPa的拉伸强度和4.5 g /cm3的密度。

△Ti6242显微组织

BEAMIT集团材料与特殊工艺经理Alessandro Rizzi表示这种材料非常适合激光粉末床熔合（LPBF），但真正的重点是热处理。研究团队设计了不同的真空循环以优化在室温和高温下的机械性能，并开发了集成的高压热处理工艺。Ti6242合金在高达550°C的温度下具有超过600 MPa的高强度重量比，这使材料成为高机械强度和轻量化应用的绝佳选择，可替代钢和镍超合金。

△极限拉伸强度（UTS）与温度关系

经过BEAMIT团队测试比较3D打印Ti6242与常规方法（例如锻造）生产的Ti6242和另一种高性能钛合金IMI834零件的机械性能，3D打印组件的性能要优于传统锻造组件。通过LPBF生产的Ti6242经过固溶热处理（高于β-转变温度）和老化，在室温以及300°C、550°C和750°C下拉伸试验表征。（注意：这些合金通常用于最高550°C的应用；已进行750°C测试以探究在高于正常工作温度下的性能）。

△屈服强度（YS）与温度关系

图表显示，AM制造的Ti6242（红色）在极限拉伸强度（UTS）和屈服强度（YS）方面的机械强度可以媲美传统技术（锻造）生产的Ti6242和IMI834（高温下性能最高的钛合金之一）。Ti6242（AM）的延展性由断裂伸长率（ε）值确定。

△断裂伸长率（ε）与温度关系

据BEAMIT称，这项工艺巩固了增材制造在汽车和航空航天等行业的作用。公司还称这项技术还能通过仅使用必要的材料与回收剩余粉末实现可持续性，减少浪费。

3D打印钛合金的应用

在汽车方面，豪华车制造商布加迪已在部分车辆中使用了3D打印钛金属零件以减轻重量并提高零件的耐高温性，包括Chiron Pur Sport车型的排气尾管、钛合金制动钳和Bolide超级跑车的钛合金前翼支架。

△布加迪跑车尾气管，使用EOS M400多激光金属3D打印机生产

同时，汽车改装专家1016 Industries已将钛和碳纤维3D打印融合在一起。将3D打印的性能部件集成到迈凯伦720S跑车的超轻量版本中。得益于这项技术，特别版车型的重量比原始车型轻了近9％。

△华曙高科FS271M金属激光烧结系统，图片来自华曙高科

航空航天领域的3D打印钛材料开发也取得了重大进展。例如，SLM和SLS 3D打印机制造商华曙高科宣布，他们的客户航天海鹰(哈尔滨)钛业有限公司开发了一种新的高温钛材料TA32，专门用于FS271M 3D打印系统。合金零件可承受最高550摄氏度的工作温度，并且在高温下具有出色的拉伸强度、柔韧性和可塑性。

△2016年在犹他州希尔空军基地的基地维修期间，新的金属3D打印零件将替换F-22战斗机零件。新钛金属零件不会腐蚀，比传统制造零件采购速度更快、成本更低。美国空军R. Nial Bradshaw摄。

在国外，美国航空航天制造商Spirit AeroSystems先前已在波音787的前机身上安装了3D打印钛制结构部件，而美国空军的希尔空军基地也已经成功地将3D打印钛合金支架并入了由航空航天和国防承包商洛克希德·马丁公司（LockheedMartin）制造的F-22战斗机。

△从2017年开始， RPD床就为波音787 Dreamliner生产钛部件。照片通过Norsk Titanium

BEAMIT集团

BEAMIT集团总部位于Fornovo di Taro（帕尔马），在金属粉末增材制造（AM）领域已经运营了24年。拥有48个增材制造系统，分布在帕尔马和雷焦艾米利亚地区的5个设施中，拥有100多名员工，是欧洲最大的3D打印中心。BEAMIT集团专门为航空航天、汽车、能源、赛车和工业工程等苛刻行业提供高端金属增材制造组件，并拥有许多相关质量认证，包括航空航天用AS/ EN 9100：2018、NADCAP批准（国家航空航天和国防承包商）认证计划）和IATF Automotive。高科技工程和金属粉末领域全球领导者山特维克集团，拥有广泛的AM合金以及金属3D打印方面卓越的专业知识，并在2019年获得了BEAMIT的大量股份。2020年，BEAMIT收购了PRES-X的大量股份。PRES-X是3D打印特殊后处理领域的一家创新型初创企业。然后，它收购了AM服务局ZARE的100％股份，使欧洲的两家领先公司能够联合起来，创建最大的全球增材制造集团，为最苛刻的行业提供服务。

参考阅读：

1. BEAMIT develops additive manufacturing process forTitanium Ti6242: a breakthrough for sustainable industrial production.
2. BEAMIT develops 3D printing process for Ti6242 forlightweight automotive and aerospace parts
3. BEAMIT Develops 3D Printing Process for Strong,Lightweight Titanium Alloy Ti6242
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