钛合金在激光/电子束增材制造领域的应用

---转载自意动科技
增材制造技术的快速发展，为钛合金的生产制造提供了新的方法，激光/电子束增材制造方法在钛合金生产中得到了国内学者的广泛研究。
钛及钛合金因具有密度小、耐高温、耐腐蚀等优异的物理性能及化学性能，在各工业领域都具有广阔的应用前景，包括船舶制造、航天航空、汽车制造等，同时它也是国防工业的重要材料之一。钛合金的应用对工业发展起到巨大的推动作用，优于传统材料的性能使其产品质量有了很大提升，满足了工业发展对新材料、新工艺的发展要求，加速了现代工业的发展。随着钛生产力的不断改善，钛合金已经成为工业生产中的第三金属。
增材制造（Additive Manufacturing，AM）又称“3D打印”，是一种可以实现构件的无模成形的数字化制造技术，具有设计和制造一体化、加工精度高、周期短，产品物理化学性能优异等特点。增材制造技术从20世纪70年代以来发展迅速，因其与传统制造技术具有巨大差异，已然成为工业领域的研究热点，在现代工业的多领域都得到了快速发展。
增材制造技术的迅速发展，理论上可以实现任何单一或多金属复合结构，为复杂结构件的制造提供了新方法。
激光束和电子束作为高密度束源，能量密度高并可调控，被誉为21世纪最先进的制造技术。目前激光/电子束增材制造主要分为激光金属沉积（Laser Mental Deposition，LMD）技术、激光选区熔化（Selective Laser Melting，SLM）技术、电子束熔丝沉积（Electron Beam Free Form Fabrication，EBF3）技术、电子束选区熔化（Electron Beam Melting，EBM）技术，在钛合金增材制造领域皆有广泛研究。

激光金属沉积（LMD）

LMD技术是一种焊接工艺，将材料引入由高功率激光产生的熔池中焊接成型，LMD属于定向能量沉积工艺的范围，通常引入的填充材料是粉末，通过围绕激光束的锥形环喷嘴注入，添加的材料形成焊缝，然后涂覆下面的金属。该工艺用于包层应用，其中部件的耐磨性增加，在将材料添加到磨损部件的修复应用中，或在几何形状的自由形式制造中，与其他类型的焊接相比，LMD导致较小的热影响区，低稀释和组件中的低残余应力。

对于钛合金的LMD技术增材制造相对较为稳定，增材件力学性能基本满足锻件最低标准，对于某些特定需求钛合金则要进行增材制造后热处理的方式达到使用要求。

激光选区熔化（SLM）

SLM技术是利用高能量激光束将三维模型切片后的二维截面上的金属合金粉末熔化，由下而上逐层打印实体零件的一种增材制造方法，SLM技术利用路径规划软件对轮廓数据进行扫描路径处理，将路径规划后的数据导入SLM设备中，工控机按照每层轮廓的扫描路径，控制激光束选区逐层熔化金属合金粉末，逐层堆叠成致密的三维金属零件实体。

对于Ti6Al4V的SLM技术增材制造相对较容易实现，对于钛与其他元素合金的SLM技术增材制造还需要做进一步地研究，需要进行预热或者其他热处理手段和进行氧含量的控制手段来增强其他钛合金SLM技术增材制造的力学性能，获得高质量的研究试样。

电子束熔丝沉积（ EBF3）

电子束熔丝技术是一种采用电子束作为热源，利用离轴金属丝建造零件的工艺，采用该增材制造工艺制造的近净成形零件需要通过减材工艺进行后续的精加工。其原理为在真空环境中，高能量密度的电子束轰击金属表面形成熔池，金属丝材通过送丝装置送入熔池并熔化，同时熔池按照预先规划的路径运动，金属材料逐层凝固堆积，形成致密的冶金结合，直至制造出金属零件或毛胚。对于钛合金的电子束熔丝沉积增材制造的研究相对较少，主要偏向借助有限元分析软件的变形控制等领域。分析认为，电子束熔丝沉积增材制造可以克服传统的钛合金加工方式的弊端，借助有限元分析软件更为实际应用过程中提供了基础理论的指导。

电子束选区熔化（EBM）

电子束选区熔化技术是通过电子束扫描、熔化粉末材料，逐层沉积制造3D金属零件，由于电子束功率大，材料对电子束能量吸收率高，EBSM技术具有效率高。热应力小等特点，适用于钛合金、钛铝合金等高性能金属材料的成型制造。

对于Ti6Al4V的EBM研究相对较为广泛，发现对于Ti-Nb合金的EBM技术增材制造仍难很好地解决Nb颗粒的扩散问题，会导致显微组织不均匀，因此对于Ti-xNb合金的增材制造还需要更多的工艺优化试验进行材料性能的提升。

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随着现代工业的迅速发展，轻量化的设计成为结构件的发展方向，对结构件的性能和质量要求变的越来越严格，钛合金增材制造技术的迅速发展，可以进一步扩大钛合金结构件的应用范围，提高钛合金增材件的性能，增强结构稳定性。钛合金的增材制造技术，解决了精密结构件的加工难题，进一步加大了钛合金的应用范围。伴随着增材制造的迅速发展，钛合金增材制造技术日新月异，国内外的专家学者通过不同的增材制造技术手段，优化工艺方法，稳定增材制造过程，减少或避免增材制造结构缺陷产生，使钛合金增材制造技术朝着绿色、高效、稳定的方向继续发展。
对于快速性的发展方向，目前阶段激光/电子束增材制造工艺相对较为成熟，应继续探究激光增材制造的经济适用性，从实际生产中的装配精度到生产制造中的工艺优化过程，进而降低生产成本，为钛合金增材制造结构件大面积的生产应用打下基础。