?增材制造技術(shù)的快速發(fā)展，為鈦合金的生產(chǎn)制造提供了新的方法，激光/電子束、熔焊和固態(tài)焊三種增材制造方法在鈦合金生產(chǎn)中得到了國內學(xué)者的廣泛研究。研究表明，鈦合金采用增材技術(shù)可得到高質(zhì)量零件，但不同增材技術(shù)具有不同技術(shù)特征，實(shí)際應用及未來(lái)發(fā)展中需要根據實(shí)際需求采用不同的增材方法。

　　1、序言

　　鈦及鈦合金因具有密度小、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)異的物理性能及化學(xué)性能，在各工業(yè)領(lǐng)域都具有廣闊的應用前景，包括船舶制造、航天航空、汽車(chē)制造等，同時(shí)它也是國防工業(yè)的重要材料之一。鈦合金的應用對工業(yè)發(fā)展起到巨大的推動(dòng)作用，優(yōu)于傳統材料的性能使其產(chǎn)品質(zhì)量有了很大提升，滿(mǎn)足了工業(yè)發(fā)展對新材料、新工藝的發(fā)展要求，加速了現代工業(yè)的發(fā)展。隨著(zhù)鈦生產(chǎn)力的不斷改善，鈦合金已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)中的第三金屬。

　　增材制造（Additive Manufacturing，AM）又稱(chēng)“3D打印”，是一種可以實(shí)現構件的無(wú)模成形的數字化制造技術(shù)，具有設計和制造一體化、加工精度高、周期短，產(chǎn)品物理化學(xué)性能優(yōu)異等特點(diǎn)。增材制造技術(shù)從20世紀70年代以來(lái)發(fā)展迅速，因其與傳統制造技術(shù)具有巨大差異，已然成為工業(yè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，在現代工業(yè)的多領(lǐng)域都得到了快速發(fā)展。

　　增材制造技術(shù)的迅速發(fā)展，理論上可以實(shí)現任何單一或多金屬復合結構，為復雜結構件的制造提供了新方法。鈦合金的增材制造技術(shù)，解決了精密結構件的加工難題，進(jìn)一步加大了鈦合金的應用范圍。伴隨著(zhù)工業(yè)社會(huì )的迅速發(fā)展，鈦合金增材制造技術(shù)日新月異，按照增材制造技術(shù)的熱源不同，可將鈦合金增材制造技術(shù)分為激光/電子束增材制造、熔焊增材制造和固態(tài)焊增材制造三種方式。國內外的專(zhuān)家學(xué)者通過(guò)不同的增材制造技術(shù)手段，優(yōu)化工藝方法，穩定增材制造過(guò)程，減少或避免增材制造結構缺陷產(chǎn)生，使鈦合金增材制造技術(shù)朝著(zhù)綠色、高效、穩定的方向繼續發(fā)展。

　　2、激光/電子束增材制造

　　激光束和電子束作為高密度束源，能量密度高并可調控，被譽(yù)為21世紀最先進(jìn)的制造技術(shù)。目前激光/電子束增材制造主要分為激光金屬沉積（Laser Mental Deposition，LMD）技術(shù)、激光選區熔化（Selective Laser Melting，SLM）技術(shù)、電子束熔絲沉積（Electron Beam Free Form Fabrication，EBF3）技術(shù)、電子束選區熔化（Electron BeamMelting，EBM）技術(shù)，在鈦合金增材制造領(lǐng)域皆有廣泛研究。

　　2.1、激光金屬沉積（LMD）

　　Mahamood等人采用LMD技術(shù)進(jìn)行了Ti6Al4V/TiC 的功能梯度材料（Functionally gradedmaterials，FGM）研究，根據早期經(jīng)驗模型進(jìn)行工藝優(yōu)化，獲得優(yōu)化后的功能梯度材料，對其組織、顯微硬度、耐磨性進(jìn)行表征。研究結果表明，采用優(yōu)化后工藝參數制造的功能梯度材料擁有更高的性能，硬度是基體硬度的4倍，高達1200HV。Silze等人利用新型半導體激光器采用LMD技術(shù)進(jìn)行Ti6Al4V的增材制造試驗研究，LMD裝置是由6個(gè)200W半導體激光頭圓形環(huán)繞在進(jìn)給槍上（見(jiàn)圖1），激光束直徑0.9mm，可以實(shí)現方向獨立的焊接工藝過(guò)程，顯微結構無(wú)缺陷。研究結果表明，隨著(zhù)層間停留時(shí)間的延長(cháng)，冷卻時(shí)間增加，晶粒厚度降低，有助于提高材料的力學(xué)性能，采用LMD技術(shù)增材制造均能滿(mǎn)足鍛造Ti6Al4V所規定的最低屈服強度和抗拉強度要求。



　　Heigel等人采用原位溫度、應力實(shí)時(shí)測量與熱機模型結合有限元熱-應力順序耦合模型的方式，研究了Ti6Al4V激光沉積增材制造過(guò)程中的熱、力演化過(guò)程，結果發(fā)現殘余應力最大力出現在增材層的中心下方，向兩側方向應力減小，隨著(zhù)停留時(shí)間增加，層間溫度差變大，殘余應力增大。左士剛利用TA15鈦合金球形粉末采用激光沉積技術(shù)進(jìn)行了TC17鈦合金增材修復制造過(guò)程研究，研究了修復件組織特性與力學(xué)性能影響規律。結果表明，采用激光沉積技術(shù)增材修復后的TA15/TC17修復件無(wú)焊接缺陷，修復件抗拉強度為1029MPa，采用退火處理后，力學(xué)性能明顯增強，抗拉強度基本可達TC17鍛件標準，伸長(cháng)率優(yōu)于標準。

　　綜上所述，對于鈦合金的LMD技術(shù)增材制造相對較為穩定，增材件力學(xué)性能基本滿(mǎn)足鍛件最低標準，對于某些特定需求鈦合金則要進(jìn)行增材制造后熱處理的方式達到使用要求。

　　2.2、激光選區熔化（SLM）

　　唐思熠等人采用SLM技術(shù)制備Ti6Al4V鈦合金試樣（見(jiàn)圖2），并對微觀(guān)組織、力學(xué)性能和致密化行為進(jìn)行了分析研究。結果發(fā)現，激光功率從360W增加到400W時(shí)，致密度提高明顯；在400W后繼續增加功率，致密度受激光掃描速度的影響較大，最優(yōu)工藝參數下的試樣質(zhì)量遠高于鍛件標準。

　　Polozov等人采用SLM技術(shù)進(jìn)行增材制造Ti-5Al、Ti-6Al-7Nb和Ti-22Al-25Nb塊狀合金，對Ti-Al-Nb系統進(jìn)行退火處理，對試樣進(jìn)行系統表征研究。結果發(fā)現，Ti-5Al可以采用SLM增材制造成鈦合金，Ti-6Al-7Nb和Ti-22Al-25Nb則需要在1350℃下熱處理才能完全溶解Nb顆粒，但是此時(shí)樣品氧含量較高，力學(xué)性能降低。



　　Fan等人研究了SLM技術(shù)增材制造Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo（Ti-6242）鈦合金在標準時(shí)效（595℃/8h）下的顯微組織穩定性。研究結果發(fā)現，隨著(zhù)激光掃描速度的提高，相對密度增加到99.5%后急劇下降到大約95.7%，時(shí)效老化處理的Ti-6242相對剛制成的Ti-6242抗拉強度從1437MPa提升至1510MPa，延展性從5%降低到1.4%，同時(shí)硬度也從410HV增加到450HV，β相顆粒的沉淀硬化作用是產(chǎn)生這種變化的重要原因。

　　Ren等人采用SLM技術(shù)增材制造進(jìn)行了Ti-Ni形狀記憶合金組織性能的研究工作，制備等原子Ti50Ni50（質(zhì)量分數）樣品，結果發(fā)現，在激光功率為40J/mm3，掃描速度為1000mm/s下可制造幾乎完全致密試樣，不同掃描速度對相組成、相變溫度和維氏硬度的影響作用有限，與傳統鑄件相比，SLM技術(shù)增材制造件擁有較高的真空壓縮和斷裂強度。

　　綜上所述，對于Ti6Al4V的SLM技術(shù)增材制造相對較容易實(shí)現，對于鈦與其他元素合金的SLM技術(shù)增材制造還需要做進(jìn)一步地研究，需要進(jìn)行預熱或者其他熱處理手段和進(jìn)行氧含量的控制手段來(lái)增強其他鈦合金SLM技術(shù)增材制造的力學(xué)性能，獲得高質(zhì)量的研究試樣。

　　2.3、電子束熔絲沉積（EBF3）

　　靳文穎研究了TC4鈦合金的電子束熔絲沉積增材修復技術(shù)，進(jìn)行了普通TC4焊絲和自制TC4EH焊絲的增材修復性能對比。研究發(fā)現，采用自制TC4EH焊絲的抗拉強度（905.23MPa）明顯高于TC4普通焊絲（809.04MPa），硬度和沖擊韌度同樣較高，伸長(cháng)率可達原材料的90%以上，具有優(yōu)良的力學(xué)性能。

　　Chen等人進(jìn)行了電子束熔絲沉積Ti6Al4V變形控制研究（見(jiàn)圖3），電子束以100~150mA之間的掃描電流和低于100mm/s的速度工作，則可以形成薄壁件，掃描形式對殘余應力分布影響不大，單向掃描變形更大，收縮變形在往返掃描情況下較為明顯，并且與電流變化成正比關(guān)系，同時(shí)，發(fā)現基板底部恒定溫度約束下，變形得到改善。



　　Yan等人研究了電子束熔絲沉積Ti6Al4V加強筋的殘余應力與變形，研究發(fā)現，兩個(gè)加強筋都對板產(chǎn)生不利的變形，縱向軌道比橫向軌道引起板更大的變形，加強筋的沉積軌跡對變形有很大影響，最大位移發(fā)生在與縱向軌道相關(guān)的加強筋的內底邊緣，高殘余應力區域主要集中在加強筋的根部。

　　綜上所述，對于鈦合金的電子束熔絲沉積增材制造的研究相對較少，主要偏向借助有限元分析軟件的變形控制等領(lǐng)域。分析認為，電子束熔絲沉積增材制造可以克服傳統的鈦合金加工方式的弊端，借助有限元分析軟件更為實(shí)際應用過(guò)程中提供了基礎理論的指導。

　　2.4 、電子束選區熔化（EBM）

　　Murr等人采用EBM增材制造的方法制備多孔泡沫Ti6Al4V，研究了剛度與密度之間的關(guān)系。結果發(fā)現泡沫具有實(shí)心孔和中空孔結構，與實(shí)心、緊密的EBM制造件相比，中空孔結構的強度與硬度成正比，強度高出40%，并且剛度與孔隙率成反比，采用EBM增材制造的泡沫材料在生物醫學(xué)、航空航天等領(lǐng)域的應用具有巨大潛力。

　　許飛等人采用電子束選區熔化技術(shù)對制備的TC4鈦合金開(kāi)展了大功率高速光纖激光焊接試驗研究。結果表明，受EBM技術(shù)增材制造TC4的晶粒尺寸差異的影響，激光焊接試驗熔合區靠近上下表面的β柱狀晶組織相對細小。焊縫區顯微硬度高于增材區硬度，且頂部硬度較高。

　　Seifi等人研究利用EBM增材制造Ti-48Al-2Cr-2Nb的組織性能研究，結果發(fā)現，所沉積的材料強度和硬度值超過(guò)了常規鑄造Ti-Al所獲得的強度和硬度值，這與目前測試的增材材料中存在更精細的微觀(guān)結構相一致。

　　Surmeneva等人研究了采用EBM技術(shù)增材Ti–10%Nb（質(zhì)量分數，下同）的組織性能研究。結果發(fā)現，通過(guò)EBM技術(shù)元素Nb和Ti的粉末混合物中原位生產(chǎn)Ti-10%Nb合金，最大的Nb顆粒保留在EBM制造的樣品中，并且Nb僅部分擴散到Ti中，如圖4所示，應該對EBM工藝的參數優(yōu)化進(jìn)行更多的研究，以實(shí)現更均勻的合金顯微組織。



　　綜上所述，對于Ti6Al4V的EBM研究相對較為廣泛，發(fā)現對于Ti-Nb合金的EBM技術(shù)增材制造仍難很好地解決Nb顆粒的擴散問(wèn)題，會(huì )導致顯微組織不均勻，因此對于Ti-xNb合金的增材制造還需要更多的工藝優(yōu)化試驗進(jìn)行材料性能的提升。

　　3、熔焊增材制造

　　與其他增材制造方式相比，熔焊增材制造操作性更強，成本更低，但結構可靠性相對較低。熔焊增材制造一般采用焊絲增材制造，但是由于基材和初始沉積層之間的熱梯度大，以及輻射和對流熱損失，會(huì )在制造的部件底部觀(guān)察到細晶粒結構。由于較低的熱梯度，傳熱速率較低，這阻礙了在增材過(guò)程的中間層形成細晶粒結構，而只在制造部件的中間形成長(cháng)的柱狀晶粒。

　　3.1、CMT電弧增材制造

　　李雷等人采用CMT電弧增材TC4薄壁結構，研究其增材層組織性能。結果發(fā)現，由于增材過(guò)程熱循環(huán)的反復作用，原始β柱狀晶晶界、水平層帶條紋、馬氏體組織和網(wǎng)籃組織等形態(tài)出現在增材層中，由于時(shí)效作用，對中下部區域產(chǎn)生強化作用，造成上部增材層顯微硬度略低于中下部顯微硬度（見(jiàn)圖5）。



　　陳偉進(jìn)行了CMT電弧增材TC4的微觀(guān)組織及力學(xué)性能研究。結果發(fā)現，在設定送絲速度為3.0m/min、焊接速度為0.48m/min的參數下，原始β晶粒剖面面積最小，CMT電弧增材制造TC4鈦合金在870℃，1h/固溶爐冷（FC）+600℃、2h/固溶空冷（AC）下熱處理，獲得的各區域微觀(guān)組織較均勻，固溶處理后的材料塑性較高。

　　3.2、等離子弧增材制造

　　Lin等人采用PAW增材制造Ti6Al4V，在微觀(guān)結構和顯微硬度方面進(jìn)行了研究。結果發(fā)現，先前的β柱狀晶粒的外延生長(cháng)受到脈沖擾動(dòng)的抑制，這導致形成了具有接近等軸晶粒的柱狀晶粒，在沉積早期，由于熱循環(huán)不足，顯微硬度較低，在后續沉積中，硬度升高，在沉積層的頂部，不受連續熱循環(huán)的影響，導致第二相的體積減小，硬度值降低。

　　馬照偉進(jìn)行了旁路熱絲等離子弧增材制造鈦合金的組織性能研究（見(jiàn)圖6）。結果發(fā)現，鈦合金增材構件的橫向抗拉強度為977MPa，強度與TC4母材的抗拉強度相當，斷裂位置在增材直壁結構尾部區域，這是由于橫向焊縫為連續熔化-凝固而來(lái)，焊縫中的缺陷和雜質(zhì)較少，使得橫向焊縫具有良好強度性能的鈦合金增材構件的豎向抗拉強度為

　　936MPa，斷裂位置在增材直壁結構上部區域，性能較橫向焊縫稍差?？拷覆牡臒嵊绊憛^硬度相對較低，出現了小范圍的軟化區，整體的豎向硬度差別并不明顯。



　　3.3、復合電弧增材制造

　　Pardal等人進(jìn)行了激光和CMT復合焊接增材制造Ti6Al4V的結構件穩定性研究。結果發(fā)現，激光可用于穩定焊接過(guò)程，減少焊接飛濺，改善電弧漂移的情況，改善單層和多層沉積的焊縫形狀，并將Ti6Al4V增材制造的沉積速率從1.7kg/h提高到2.0kg/h。

　　綜上所述，對于熔焊增材制造鈦合金主要集中在TC4的研究中，多采用CMT、等離子等高效熔絲工藝方式，同時(shí)采用其他熱源輔助焊接的方式穩定焊接過(guò)程，進(jìn)行鈦合金的增材制造。分析認為，對于熔焊鈦合金增材制造的發(fā)展方向應開(kāi)拓研究制備鈦合金功能性材料，便于多領(lǐng)域全方位的應用推廣，復合熱源的增材方式或其他可控熱輸入的穩定

　　增材方式會(huì )成為熔焊增材的熱門(mén)研究方向。

　　4、固態(tài)焊增材制造

　　4.1 、攪拌摩擦增材制造（FSAM）

　　攪拌摩擦增材制造是一種從攪拌摩擦焊接技術(shù)發(fā)展而來(lái)的固相增材技術(shù)，原理如圖7所示。增材效率高、成本低；在增材過(guò)程中沒(méi)有金屬的熔化和凝固，可以避免熔池帶來(lái)的冶金缺陷問(wèn)題，同時(shí)攪拌摩擦過(guò)程中塑性變形還可以起到晶粒細化的作用，獲得低成本、高質(zhì)量增材產(chǎn)品。



　　張昭等人基于A(yíng)baqus生死單元法和移動(dòng)熱源法建立兩種攪拌摩擦增材制造Ti6Al4V有限元模型，研究攪拌摩擦增材的溫度分布和晶粒生長(cháng)情況。研究結果發(fā)現，橫向增材峰值溫度大于縱向增材峰值溫度，在攪拌區冷卻及增材累積過(guò)程晶粒粗化，并且由β相轉變?yōu)棣料?，由于不同熱循環(huán)次數的影響，低層攪拌區晶粒尺寸較大，高層攪拌區晶粒尺寸較小。

　　4.2、 超聲波增材制造（UAM）

　　超聲波增材制造（UAM）是一種新的快速成形工藝，用于在室溫或接近室溫的條件下制造金屬基復合材料。較低的加工溫度使復合材料能夠通過(guò)利用嵌入在基體中的高度預應變的形狀記憶合金（SMA）纖維產(chǎn)生的回復應力。

　　Hahnlen等人利用UAM技術(shù)制造NiTi-Al復合結構界面強度研究，纖維-基體界面的強度是UAM復合材料的限制因素。結果發(fā)現，平均界面剪切強度為7.28MPa，纖維與界面結合方式是機械鍵合，未發(fā)生化學(xué)鍵合或冶金鍵合方式。

　　為提高碳纖維增強材料（CFRP）的承重能力，使其能在航空航天和汽車(chē)工業(yè)上進(jìn)一步推廣應用，James等人進(jìn)行了CFRP/Ti的超聲波增材制造中剪切破壞強度的研究，研究結果發(fā)現，采用UAM技術(shù)可以實(shí)現CFRP/Ti的結構制造，超聲波能量和表面粗糙度都對UAM制成結構的剪切強度產(chǎn)生積極影響，在焊接前增加界面的表面粗糙度有助于增加最終焊縫的剪切破壞負荷。

　　綜上所述，關(guān)于超聲波增材制造鈦合金的研究較少，主要進(jìn)行的是金屬基復合材料的研究，以增強復合材料的特定性能滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)應用，分析認為，在未來(lái)研究中，應側重于提升復合材料的力學(xué)性能研究方向。

　　5、結束語(yǔ)

　　隨著(zhù)現代工業(yè)的迅速發(fā)展，輕量化的設計成為結構件的發(fā)展方向，對結構件的性能和質(zhì)量要求變的越來(lái)越嚴格，鈦合金增材制造技術(shù)的迅速發(fā)展，可以進(jìn)一步擴大鈦合金結構件的應用范圍，提高鈦合金增材件的性能，增強結構穩定性。綜合國內外所研究的鈦合金增材制造技術(shù)和現代工業(yè)的發(fā)展方向，未來(lái)鈦合金增材制造技術(shù)注定將朝著(zhù)綠色、經(jīng)濟、穩定、快速的方向發(fā)展。

　　1）從綠色發(fā)展方向來(lái)看，攪拌摩擦增材制造起步階段較晚，還處于試驗研究階段，未來(lái)進(jìn)行多金屬材料的復合結構增材制造，實(shí)現特定結構的特種性能，將是該技術(shù)的一個(gè)研究方向。

　　2）對于經(jīng)濟、穩定的發(fā)展方向，則需要進(jìn)行電弧增材的穩定性過(guò)程探索，尤其是新型復合電弧增材制造的穩定性研究。

　　3）對于快速性的發(fā)展方向，目前階段激光/電子束增材制造工藝相對較為成熟，應繼續探究激光增材制造的經(jīng)濟適用性，從實(shí)際生產(chǎn)中的裝配精度到生產(chǎn)制造中的工藝優(yōu)化過(guò)程，進(jìn)而降低生產(chǎn)成本，為鈦合金增材制造結構件大面積的生產(chǎn)應用打下基礎。