航空航天鈦合金結構件增材制造技術

唐洪奎，卓君，馬寬，李安

西安歐中材料科技有限公司 陜西西安 710000

1 序言

鈦合金以其低密度、優異的耐腐蝕性能、抗疲勞和抗裂紋擴展性能、優異的強塑比，受到廣泛關注[1]。作為一種綜合性能優良的航空航天材料，大型整體鈦合金結構件用量的高低已經成為衡量國防裝備先進性的重要標志之一。

隨著航空航天結構件一體化和輕量化設計的需求，導致鈦合金傳統制造工藝無法滿足設計要求。增材制造技術以“離散-堆積”為原理，將預打印三維模型建模后分層切片成離散數據，熱源熔融原材料實現逐點-逐層-逐面成形。增材制造技術的優勢在于個性化定制、無需模具、生產周期短，尤其適合小批量、復雜結構件的成形制造[2]。增材制造技術根據熱源和原材料不同分為：基于金屬粉末增材制造的激光選區熔融成形（SLM）、電子束選區熔融成形（EBM）、激光立體成形（LENS）和基于金屬絲材增材制造的電弧熔絲增材制造（WAAM）、電子束熔絲增材制造技術（EBFFF）。這幾種技術由于熱源、工藝特點不同，因此所制備材料的組織特性、力學性能也均有不同。但是每種技術均有各自的優勢，本文就航空航天領域常用的幾種增材制造技術制備鈦合金結構件發展現狀進行研究分析，以供同行技術交流。

2 基于金屬粉末的增材制造技術

（1）激光選區熔融成形技術 激光選區熔融成形技術是用高密度激光按照CAD模型分層切片輪廓數據逐層熔化金屬粉末，實現金屬零件的直接增材制造。激光選區熔融成形技術得到的零件精度高、力學性能一致性好，適合傳統制造技術無法實現的復雜結構和對表面質量要求高的零件生產。激光選區熔融成形技術相對其他技術工業化應用最為廣泛，典型的設備制造商有：EOS、Concept Laser、Reinshaw、SLM Solutions等。

報道最為廣泛的為GE公司利用激光選區熔融技術制備的一體化燃油噴嘴（見圖1），該燃油噴嘴已用在LEAP發動機上，每臺LEAP發動機有19個燃油噴嘴，目前已進入工業化應用[3]。中國航天科工306所已于2016年利用激光選區熔融成形技術成功地制造出了航空發動機復合材料燃燒室（見圖2）。將激光選區熔融技術與異種鈦合金（TA15與Ti2AlNb）過渡復合技術有效結合起來，克服了傳統鑄件整體強度低、連接口易斷裂等問題，該試驗件順利通過了力-熱聯合試驗。

圖1 激光選區熔融制造一體化燃油噴嘴

圖2 航空發動機復合材料 燃燒室

激光選區熔融制備鈦合金力學性能優于鑄件，略低于鍛件，影響力學性能的主要原因在于沉積態組織的不穩定性和內部缺陷的存在。目前，應用于增材制造的鈦合金有TA15、TA19、TC4、TC11、TiAl等，而TC4（Ti-6Al-4V）因其良好的綜合性能，是航空航天用鈦合金材料中用量最大的一種。激光選區熔融冷卻速度極快，遠超過TC4合金馬氏體相變的冷卻速度，初生β相在急速冷卻情況下發生無擴散型相變，轉變為非平衡α'針狀馬氏體[4]，因此需要熱處理以獲得較佳強韌性配比。

常見內部缺陷包括：氣孔、未熔合孔洞和裂紋。氣孔可能是由于工藝參數不當導致氣體殘留于熔池內部或者粉體內部本身存在氣孔，尤其針對氣霧化制備的粉末，粉體液滴凝固過程中氣體不可避免地存留在粉體中，在打印過程中帶入打印件中[5]。未熔合孔洞產生的原因是熱輸入能量不足，導致無法產生足夠的熔融金屬液，使熔融金屬流動困難，局部間隙無法有效填充。裂紋是打印過程中由于溫度梯度產生的殘余應力和材料內部相變產生的內應力累積，超過材料自身屈服強度產生的。針對上述打印缺陷，國內外研究者從工藝策略和原材料不同方面進行了研究。Ahsan等[6]對氣霧化法和等離子旋轉電極工藝制備的Ti-6Al-4V鈦合金粉末進行激光選區熔融成形質量對比，研究結果表明，等離子旋轉電極工藝制備的金屬粉末球形度更好，空心粉數量更少，打印件內部質量較氣霧化法好。針對未熔合孔洞問題，研究者從掃描策略優化出發，采用單向掃描、zig-zag掃描、正交掃描等掃描策略。楊永強等[7]提出正交掃描方式，即在一層掃描沉積完成后，對下一層掃描線間搭接處進行掃描熔化，使搭接處形成良好的重熔區域，粉體材料充分熔化，然后再采用正交掃描方式，使各方向能量輸入均衡，減少掃描線間未熔合缺陷的產生。

（2）電子束選區熔融成形技術 電子束選區熔融成形是利用加速運動的電子束流在磁線圈的控制下，掃描熔融預先鋪放的金屬粉末，工作艙隨著掃描高度的增加而逐漸下降，最終完成打印成形。與激光選區熔融不同：電子束選區熔融在高真空環境中進行，可嚴格避免空氣雜質進入打印件；電子束選區熔融掃描速度快，可達60cm3/h；預熱溫度高（可達1100℃），溫度可控性好，尤其適合TiAl等金屬間化合物打印[8]。電子束選區熔融設備典型制造商為GE Additive Arcam公司，根據產品分Q10、Q20和A2X幾種，主要應用于生物醫療領域。近年來，電子束選區熔融技術在航空航天領域的應用也迅速興起，例如，美國波音公司和CalRAM 公司、意大利Avio公司等針對火箭發動機噴管、承力支座、起落架零件、發動機葉片等開展了大量研究[9]。

意大利Avio公司利用電子束選區熔融成形技術成功制造了TiAl航空發動機低壓渦輪葉片，在800℃屈服強度可達480MPa，具有良好的抗蠕變性能[10]。國內清華大學和西北有色金屬研究院也較早地開展了電子束選區熔融技術和設備的研發工作，在裝備制造和工藝開發方面都積累了經驗。

電子束選區熔融鈦合金材料與激光選區熔融類似，均會產生氣孔或匙孔缺陷。這類氣孔或匙孔一方面是由于原材料粉末中的空心粉帶入，另一方面是電子束沖擊，金屬蒸氣與液體表面張力平衡的結果，屬于深穿透性電子束流的自有特性。因此要最大程度上減少氣孔或匙孔的產生，可以選用空心粉率低的等離子旋轉電極粉，同時優化工藝參數，盡量減低能量輸入。電子束選區熔融由于在高真空環境下進行，隨著真空度和溫度的提高，合金元素的蒸氣壓也升高，由此造成合金元素在真空中燒損。Schwerdtfeger等[11]制備TiAl合金航空發動機低壓渦輪葉片研究發現（見圖3），隨著能量輸入的降低，Al損失逐漸減少。當熱輸入和束流從1.1J/mm、9.2mA降到0.7J/mm、3.5mA時，Al損失從4.0%（原子分數百分比）減小到1.0%。表明降低熱輸入在一定程度上可以減小元素燒損。

圖3 TiAl航空發動機低壓渦輪葉片

（3）激光立體成形技術制備航空航天用鈦合金材料 激光立體成形技術是利用高能激光束快速熔融同步送進的粉材，實現從三維模型到實體制造的一次性生產過程。激光立體成形技術相比較激光選區熔融，設備柔性好，可用于大型結構件增材制造和修復，由于激光立體成形設備具有兩個以上送粉筒，可實現不同材料交替或同時送進，因此適合梯度材料的研發。

王華明院士團隊自1998年來一直致力于激光增材制造技術裝備研發和關鍵技術研究，成功生產出目前國內飛機尺寸最大、結構最復雜的鈦合金主承力關鍵構件（見圖4）。西北工業大學的黃衛東教授團隊對大型鈦合金構件變形、內應力、內部冶金缺陷控制等方面的問題進行了研究，采用激光增材制造技術成功制造了C919大飛機上使用的Ti-6Al-4V合金翼肋上下緣條構件，尺寸達450mm×350mm×3000mm，其靜載強度及疲勞性能均達到鍛件水平[12]。

圖4 尺寸大于5m的鈦合金主承力關鍵結構

王華明院士曾提出目前影響“熱應力控制和變形開裂預防”以及構件“內部質量和力學性能控制”等問題是制約高性能大型激光立體成形結構件發展和應用的瓶頸[13]。美國空軍研究實驗室Kobryn等人[14]研究了熱處理和熱等靜壓對Ti6Al4V激光立體成形件微觀組織和性能的影響，試驗證明，后熱處理降低了內應力，消除了層間氣孔等缺陷，使打印件沿沉積方向的韌性和疲勞性能極大地提高。北京航空航天大學陳博等[15]研究了激光立體成形鈦合金零件熱處理制度，研究表明，通過熱處理制度優化使得鈦合金力學性能有所提高。

3 基于金屬絲材的增材制造技術

（1）電子束熔絲增材制造技術 美國麻省理工學院的V. R. Dave等人[16]最早提出了電子束熔絲增材制造技術。該技術是在高真空環境中，高能量密度電子束流轟擊金屬表面及同步送進的絲材，使其熔化；隨著熱源遠離，熔池凝固，如此反復完成堆積成形的過程。電子束熔絲增材制造技術沉積速率較高（可達15kg/h），且原材料利用率100%，可實現大尺寸結構件的近凈成形。

美國Sciaky公司在電子束焊接基礎上開發了商用的電子束熔絲增材制造設備，根據客戶需求可定制不同尺寸設備。鑒于電子束設備復雜的構造和高技術門檻，此類設備造價均很高，一套設備價格可達上千萬。美國Sciaky公司聯合Lockheed Martin、Boeing等公司也在同時期合作開展了研究，主要致力于大型航空金屬零件的制造（見圖5）。

圖5 電子束熔絲增材制造的機翼

（2）等離子電弧熔絲增材制造技術 等離子電弧熔絲增材制造是將等離子電弧作為熱源，同步熔融側向送進的金屬絲材。英國科倫菲爾德大學在等離子電弧熔絲增材制造技術研究與應用方面走在國際前沿。Stewart Williams教授研究團隊已與歐洲航天局、龐巴迪等企業合作，成功制造了尺寸大于1.5m的鈦合金飛機機翼翼梁（見圖6）[17]。Norsk Titanium公司打印的鈦合金組件（見圖7）已完成了FAA認證，已應用在波音787上，一架波音787上預計可以使用1000個等離子電弧熔絲增材制造鈦合金組件。

圖6 等離子弧熔絲增材制造的鈦合金飛機機翼翼粱

圖7 等離子弧熔絲增材制造的鈦合金組件

不同于電子束熔絲增材制造設備的高成本，等離子電弧熔絲增材制造設備投入成本較低，一般僅需幾十萬元。針對鈦合金組件而言，打印過程通常在氣氛保護艙中進行。

王福德等[18]人研究發現等離子電弧熔絲增材制造由于熱輸入較大、冷卻速度較慢，鈦合金沉積態組織為粗大柱狀晶，且柱狀晶自底部生長穿越多個沉積層，內部組織為網籃組織和大量魏氏體組織。這種粗大柱狀晶會造成鈦合金靜態力學性能各向異性，為解決這種性能各向異性，Stewart Williams[19]提出采用碾壓的方式抑制柱狀晶生長，研究證明：當碾壓力為75kN時可提高材料性能。王福德團隊采用超聲沖擊的方法在一定程度上也使柱狀晶向等軸晶轉變。等離子電弧熔絲增材制造大型鈦合金結構件中的應力控制與變形是目前影響該技術在大型承力結構件中使用的主要問題[20]。

4 結束語

增材制造技術是一項集材料科學、機械加工、逆向工程及數字制造等多學科為一體的新型技術，經過近10年的蓬勃發展，其工藝技術和制造原理日趨成熟。增材制造技術的多元化發展使其可以滿足精細結構、大尺寸毛坯結構的需求，已在航空航天等高端裝備領域展示出了巨大的潛力和應用前景。但目前增材制造材料種類不完善、內部質量和工藝過程不夠穩定和精確、缺少成熟的在線監控和反饋的閉環控制系統等都是限制其廣泛應用的關鍵問題。相信隨著科研的不斷進展，定能穩步推進增材制造技術在航空航天領域的應用。