钛合金增材制造技术的探索与实践

钛合金增材制造技术的探索与实践摘要：近年来，增材制造技术越来越受到重视。增材制造技术从20世纪90年代开始出现，其发展的基础是高能量热熔覆技术和快速原型技术，与传统制造技术相比，不用经过各种刀具的切割和多种繁杂工序的加工，大大缩减了加工时间，同时对于结构复杂的零件，其加工过程和制造精度更高。目前钛合金产品已经在多个领域得到应用，这些产品的结构较复杂、品种多、批量小且性能要求高，传统的生产制造技术无法满足这些产品要求，而增材制造技术能够满足钛合金产品制造技术和性能要求，因而得到广泛应用。本文就钛合金增材制造技术展开探讨。关键词：钛合金；增材制造技术；应用引言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、熔焊和固态焊三种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。研究表明，钛合金采用增材技术可得到高质量零件，但不同增材技术具有不同技术特征，实际应用及未来发展中需要根据实际需求采用不同的增材方法。1钛合金增材制造技术研究1.1电子束选区熔化成形技术电子束选区熔化成形技术是一种采用电子束做为熔融金属粉末热源的分层制造工艺。目前，Arcam公司的电子束熔融系统研究处于世界领先地位。电子束选区熔化成形技术与激光选区熔化成形技术非常相似，主要有以下几方面差别。首先，在于热源不同，电子束能量转化效率高。与激光选区熔化成形技术相比，成形成本和效率要高；第二是真空室温度和环境不同，电子束选区熔化成形工艺保持零件建造过程温度在退火温度条件下，防止应力累加，降低残余应力，零件不需要后续的热处理过程。而激光选区熔化成形工艺制造的零件具有各向异性微观结构，因此需要进行后续的热处理，以消除应力。同时激光选区熔化成形工艺采用惰性气体保护，而电子束选区熔化成形技术是在高真空环境下，更加纯净，成形零件性能更好。1.2激光金属沉积（LMD）采用LMD技术进行了Ti6Al4V/TiC的功能梯度材料（FGM）研究，根据早期经验模型进行工艺优化，获得优化后的功能梯度材料，对其组织、显微硬度、耐磨性进行表征。研究结果表明，采用优化后工艺参数制造的功能梯度材料拥有更高的性能，硬度是基体硬度的4倍，高达1200HV。利用新型半导体激光器采用LMD技术进行Ti6Al4V的增材制造试验研究，LMD装置是由6个200W半导体激光头圆形环绕在进给枪上，激光束直径0.9mm，可以实现方向独立的焊接工艺过程，显微结构无缺陷。研究结果表明，随着层间停留时间的延长，冷却时间增加，晶粒厚度降低，有助于提高材料的力学性能，采用LMD技术增材制造均能满足锻造Ti6Al4V所规定的最低屈服强度和抗拉强度要求。1.3电子束熔丝成形技术电子束熔丝成形技术在激光成形技术基础上发展而来，以高能量密度和高能量利用率的电子束作为加工热源，当高速电子轰击金属粉末时，其动能立即转化成热能，使材料快速完全融化并成形三维实体零件。与激光成形不同的是电子质量远大于光子，相对于激光束电子束动能更大。当高速电子束轰击金属粉末时，易出现吹粉现象，即预制松散粉末在电子束的作用下被推离原位置。吹粉现象会导致粉末在熔化前偏离原来位置，影响成形质量。电子束熔丝成形技术采用丝材替代粉末为原材料避免了吹粉问题。该技术具有成形速度快、材料利用率高、无反射、能量转化率高等特点，成形环境为真空，特别利于大中型钛合金等高活性金属零件的成型制造，但该技术精度较差，需要后续表面加工。2钛合金增材制造的应用2.1在航空航天领域的应用增材制造技术最早于2001年开始应用于美国的舰载歼击机中，通过钛合金增材制造技术生产出飞机的承力结构件并应用于航空生产。2011年英国的南安普顿大学通过增材制造技术生产出包括无人机的机翼、控制面板和舱门的整体框架。2012年之后，钛合金增材制造技术在航空领域的应用取得前所未有的发展，钛合金零件不仅在飞机制造中得到广泛的应用，而且新型的钛合金材料开始在火箭、航天飞机等航天设备中得到应用，钛合金增材制造技术生产的零件极大的减少了航天设备之间的焊缝数量，由于钛合金的强度更高，使得航天设备的安全性大大提高。我国相关部门和科研院校也不断的对钛合金增材制造技术进行研究，现在已经在航空领域得到应用。我国运用钛合金增材制造技术生产的飞机机翼和主承力构件达到了相应的技术要求并应用于飞机制造。2.2在生物医药领域的应用由于生物材料结构复杂、病人需求各异、无需大批量生产等因素，增材制造技术非常适合制造生物材料。锌金属具有良好的生物相容性，锌-钕合金激光增材制造中的稀土钕既提高了锌合金的致密度，致密化率达98.71%，成形质量优良，又提高了锌合金的力学性能；此外，钕合金化抑制了促炎因子的释放，从而使锌-钕合金具有良好的抗炎活性，增材制造的锌-钕合金可作为承重骨植入体内，是一种很有前景的骨修复材料。增材制造孔隙结构钛合金结构可植入人体充当关节，当植入体和人体骨骼间缺少体液，会发生干滑动摩擦，从而出现发炎、肿胀等现象。通过研究三角形、正方形和无序3种孔隙结构的摩擦性能，发现三角形孔隙结构位移矢量小于无序孔隙结构，但其旋转矢量和造成的简谐振动频率过高，摩擦力大于无序孔隙结构；正方形孔隙结构因结构稳定性最差，导致磨损量最大；在3种孔隙结构中，无序孔隙结构产生的摩擦热量最少，虽在摩擦力、散热等方面强于三角形，但其磨损量大于三角孔隙结构。金属增材制造技术在口腔修复体制作中的应用主要集中在金属基底冠、可摘局部义齿的金属支架和种植体。激光增材制造制作的钻铭合金底冠金瓷结合力接近甚至超过传统制作；由于激光增材制造冷却速度快、结构致密无缺陷，激光增材制造制作的钻铭合金强度高于传统铸造；经过恰当的计算机辅助设计、参数设定，激光增材制造的钻铭合金能达到良好的基牙密合性。激光增材制造的钻铭合金可摘局部义齿金属支架在合适度和功能上接近传统支架，但微观结构上更加优良。激光增材制造技术制作的钛合金种植体支架由于快速冷却及晶相组成等因素，拥有更高的致密度和硬度，结构轻巧、生物相容性好。2.3在国防领域的应用在国防武器生产的过程中，对武器的材料性能要求较高，零件的精密度也有较高的要求。美国海军正在研究将增材制造技术设计到航空母舰上，将航母作为一个大型的武器生产工厂，根据需要和要求生产所需武器设备。同时美国的陆军也在研发“移动零件医院”实现武器零件的快速修复和快速生产，满足战场的需要。我国也正在加紧钛合金增材制造技术在国防领域应用的研究，实现武器生产的快速化和精密化，推动我国国防技术发展。结语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。综合国内外所研究的钛合金增材制造技术和现代工业的发展方向，未来钛合金增材制造技术注定将朝着绿色、经济、稳定、快速的方向发展。参考文献邓贤辉.钛合金增材制造技术研究现状及展望[J].材料开发与应用，2019（05）：113-120.赵剑峰.金属增材制造技术[J].南京航空航天大学