3D打印超均匀高性能钛合金 + l【焦点 l 钛合金】

随着3D打印技术的不断进步，钛合金在航空航天、医疗和消费电子等领域的应用也在不断扩大。例如，钛合金因其优良的强度和轻量化特性，逐渐被应用于手机等消费电子产品的结构件。针对钛合金的特殊需求，研究者们正在探索新型合金的设计策略，以实现更好的性能。例如，研究表明通过添加特定元素（如钼）可以改善钛合金的微观组织，进而提高其力学性能和疲劳寿命。钛合金3D打印的研究趋势正朝着提升材料性能、减少缺陷、扩展应用领域和新型合金设计等方向发展。这些研究不仅推动了钛合金的应用，也为3D打印技术的进一步发展奠定了基础。

本期，通过节选近期国内在钛合金3D打印方面的实践与研究的多个闪光点，3D科学谷与谷友一起来领略的这一领域的研究近况。

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

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3D科学谷洞察

“随着新型钛合金材料的研发，如具有更高强度、高韧性、耐高温特性的材料，钛合金3D打印的应用范围将进一步拓展。同时，工艺优化和智能化控制将提高打印精度和效率，降低成本，推动产业化进程。”

 3D打印超均匀高性能钛合金

侯自勇1,2张敬奇3Michael J.Bermingham3刘印刚3杨楠3尹宇3蔺伟康3Mohamad Bayat4靳慎豹5沙钢5Matthew S.Dargusch3黄晓旭1
1.重庆大学轻合金材料国际合作联合实验室2.瑞典皇家理工学院3.昆士兰大学4.丹麦科技大学5.南京理工大学

摘要：

增材制造(又称3D打印)作为一种灵活高效的材料制备手段,为新型合金设计和产品开发提供了新机遇。对于凝固过程初生相为立方晶胞晶体结构的金属材料,初生晶粒通常沿着熔池最大温度梯度方向择优生长,并且在重熔的条件下呈现很强的外延生长倾向。虽然这种具有强织构的柱状晶结构对某些特定的应用有利,但是由于它不仅降低材料的力学性能(尤其是强度)并且还导致力学性能出现各向异性,所以通常被认为是不利组织。另一方面,3D打印所经历的超快速凝固、内禀热循环等,会对沉积材料产生”原位热处理”效应,导致初生相的分解或者新相的析出,进而致使打印构件内的组成相沿着打印方向呈现不均匀分布。前人提出了不同的方法来促进柱状晶向等轴晶转变和晶粒细化。

常用方法主要包括工艺控制和添加晶粒细化剂,其中工艺控制方法主要有调控3D打印参数或者引入外部干扰。然而,这种方法的适用性通常局限于特定的合金或者3D打印技术。另外,添加晶粒细化剂的方法虽然行之有效,但是通常会引入或者生成脆性第二相,导致打印构件的塑性严重下降。尤其对于钛合金,实现晶粒细化同时不降低塑性,比其他常用合金(例如铝合金)更具有挑战性。虽然打印后均匀化热处理通常能够消除组成相的不均匀性,但是会增加部件的生产时间与成本,同时对消除柱状晶的作用有限。

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因此,3D打印构件内部强织构柱状晶与不均匀分布组成相两者共存,对获得均匀且优异的力学性能带来了极大的难度。针对上述问题,研究团队从合金设计角度出发,结合相变热力学、动力学计算结果,以典型工业用钛合金为研究对象,开展了深入系统研究,主要取得了以下成果:(1)以Ti-6Al-4V为研究对象,通过添加适量CP-Ti和Fe2O3,以稀释扩散速率较慢的V、引入扩散速率较快的Fe,提供O强化基体,弥补强度损失,调控打印过程中相变发生的临界条件和速度,打印材料在各阶段均能获得成分均匀的相(组织),消除了性能不均匀性。新合金与传统Ti-6Al-4V合金具有相似的腐蚀行为,钝化区域均在0.5V以上,CP-Ti和Fe2O3颗粒复合添加,抵消少量Fe和O对腐蚀性能的恶化。(2)以Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr为模型合金,通过添加钼(Mo)纳米颗粒,实现了单一添加物的双重功能性:在凝固过程,半熔融颗粒为初生β-Ti相提供形核质点,通过晶粒细化消除柱状晶组织;在固态相变过程,熔融的钼溶质在半熔融钼颗粒周围提供一个成分过冷区,从而促进异质形核,抑制有害相析出。双功能性添加剂带来的微观组织变化使合金具有均匀的机械性能,并同时提高了强度和延展性。上述研究成果展示了如何通过单组分改性这种合金来解决不利的微观结构问题,为直接通过3D打印获得理想的机械特性提供了途径。此外,该研究以合金设计指导3D打印,拓展了3D打印制备性能均匀合金的广度,为制备具有均匀性能的未知结构合金提供了新的解决思路和方案。

 选区激光熔化成形钛合金
     薄壁件热行为及打印极限高度研究

彭凯、蔡高参、胡彪
浙江理工大学机械工程学院

摘要：

为了研究钛合金薄壁件在选区激光熔化工艺下的热行为及工艺参数对打印极限高度的影响，采用理论建模、模拟仿真和正交试验法等手段开展了钛合金薄壁件在复杂热循环作用下的热行为及打印极限高度研究。分别从单层单道、单层多道和多层单道展开研究。

模拟结果表明，对于单层单道成形，当激光束从节点N1移动到节点N3时，熔池峰值温度和最大冷却速率逐渐增加；对于单层多道成形，当激光束从第1道扫描至第3道时，熔池尺寸和熔池峰值温度呈递增趋势；对于多层单道成形，当激光束从第1层扫描至第5层时，熔池尺寸呈递增趋势。试验结果表明，打印极限高度与激光功率成正相关，与扫描速度呈负相关，随着扫描间距的增加先增加后减小，且与激光能量密度呈线性增长趋势。

 基于元胞自动机的金属
     增材制造孔洞附近微观组织模拟

陈逸飞1周金宇2王林3
1.江苏理工学院机械工程学院2.金陵科技学院机电工程学院3.南京铖联激光科技有限公司

摘要：

基于元胞自动机和粉末尺度的热流耦合模型，提出一种气孔处三维微观组织模拟方法。利用MATLAB构建元胞自动机模型，对增材制造钛合金Ti-6Al-4V的二维微观组织进行模拟，其模拟结果与实验结果吻合。

通过FLOW-3D和EDEM软件联合仿真，利用有限体积法对三维多道次的粉末床熔融过程进行仿真，得到了温度场信息。将元胞自动机模型拓展到三维尺度，把得到的温度场数据导入元胞自动机模型，对孔洞位置处的微观组织进行数值模拟，得到了微观组织分布。

该方法有助于构建金属增材制造工艺设计、缺陷表征、性能评价多尺度模型，以及用于晶粒、缺陷分布和疲劳寿命等信息预测。

 电子束增材制造TA7-TC4
     双钛合金的组织性能研究

李洪全1孙宝福1宁薇1莫力林2
1.桂林理工大学机械与控制工程学院2.桂林狮达技术股份有限公司

摘要：

采用真空电子束熔丝沉积制备TA7-TC4双钛合金试样，通过对电子束增材制造双钛合金在TC4侧、TA7侧以及中间过渡区的组织特征进行研究，分析合金的组织结构、硬度、力学性能、断裂方式及断口形貌。

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结果发现，双钛合金TA7侧内部组织晶粒主要以块状α组织为主，TC4侧可以看到明显的针状马氏体转变相垂直过渡层生长且在过渡层断开，存在明显各向异性；TA7-TC4双钛合金沉积试样拉伸力学性能介于TA7与TC4两种合金之间，塑性相对较好；双钛合金沉积试样的硬度表现为：TA7侧<过渡区<TC4侧;断口分析发现过渡层界限清晰，断面呈杯锥状，剪切断裂明显。

 激光重熔对激光粉末床熔合制备
     Ti-6Al-4V合金热稳定性的影响机制研究

詹宇星、杨扬
中南大学材料科学与工程学院

摘要：

研究了激光重熔(LR)对激光粉末床熔合(LPBF)制备Ti-6Al-4V合金的组织性能和热稳定性的影响。结果表明，LR处理后，LRed-Ti-6Al-4V钛合金样品内α′相热稳定性显著提升，β-Ti相出现的温度点由500℃升至700℃。热处理后，LPBF-Ti-6Al-4V钛合金内晶粒持续生长，700℃以上出现明显的“短棒状”和“粗层片状”特征；而LRed-Ti-6Al-4V样品表层熔化区内晶粒仍维持等轴特征，700℃以上的熔化区和热影响区内呈现较为均匀细小的针状组织。

两组样品的表面显微硬度值随温度升高而不断降低，并且分别在700℃和850℃显著下降，β-Ti晶粒的迅速粗化是引起硬度下降的主要原因。

 基于增材制造的钛合金构件
     低温疲劳行为与机理研究

吴自越
北方工业大学

摘要：

增材制造中的选择性激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)作为一种先进的制造技术,能够高效制造复杂的金属构件。与传统工艺制造的构件相比,SLM构件通常表现出较高的强度和硬度,并伴随着较低的塑性。SLM构件中不可避免的会产生孔隙等缺陷,会影响构件的力学与疲劳性能,而在低温环境下可能会对构件疲劳性能造成更严重的影响。

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本课题通过SLM制备了Ti-6Al-4V拉伸试样,开展了室温和低温(77K)拉伸试验。

结果表明,SLM Ti-6Al-4V试样在室温下展现出了与传统轧制Ti-6Al-4V试样相近的力学性能,且具有良好的加工硬化性能,在低温下屈服强度和抗拉强度进一步提升,但塑性有所降低。基于ABAQUS疲劳分析模块,建立了孔隙缺陷不同形状、位置、大小、相互距离、数量及孔隙率的模型,研究了不同孔隙缺陷对SLM Ti-6Al-4V试样疲劳寿命的影响规律。

结果表明,含有孔隙缺陷的试样比无缺陷试样疲劳寿命降低了一个数量级,试样含有非球型孔隙缺陷比含有球型孔隙缺陷对疲劳寿命影响更为显著。半径在10-30μm时,内部孔隙缺陷比表面孔隙缺陷对疲劳寿命影响更为显著;半径在40-70μm时则相反;孔隙缺陷距自由表面越近对疲劳寿命的影响越显著。孔隙率小于1%时孔隙缺陷半径越大,试样疲劳寿命变化幅度越大;孔隙率在1%-5%之间时混合孔隙缺陷的试样疲劳寿命最低,含有不同排列的混合孔隙缺陷的试样疲劳寿命会在一个范围内波动。将损伤本构模型编写进USDFLD子程序并耦合到ABAQUS,使用非线性随动硬化和各向同性硬化的混合硬化模型来描述弹塑性行为,模拟了不同应变幅下的低周疲劳损伤演化以及材料的疲劳寿命,分析了SLM Ti-6Al-4V材料中孔隙缺陷的大小对试样疲劳寿命的影响。

结果表明,损伤模型预测寿命与试验寿命吻合较好,预测寿命平均误差为5.392%。对Ti-6Al-4V和SLM Ti-6Al-4V材料进行疲劳寿命模拟,模拟数据与文献数据吻合较好。SLM Ti-6Al-4V材料中孔隙缺陷在高应力时,半径在0.025mm和0.03mm时,疲劳寿命的变化趋势出现拐点;在低应力时,半径在0.02mm、0.03mm和0.05mm时,疲劳寿命的变化趋势出现拐点。建立了叶轮构件的有限元模型,分析了叶轮构件的应力与损伤分布特点,探究了温度对叶轮构件疲劳寿命的影响规律。

结果表明,使用应力应变曲线替代循环应力应变曲线进行简化计算,得到低温下疲劳寿命的变化趋势与文献结果相近。在叶根位置存在明显的应力集中现象,同时也是构件产生疲劳损伤的位置。低温条件下构件的疲劳寿命显著低于室温条件下的疲劳寿命。在低应力区,20K与77K条件下构件的疲劳寿命相差不大;在高应力区,20K条件下构件的疲劳寿命显著低于77K条件下的疲劳寿命;随着应力的增高,低温疲劳寿命受温度变化的影响进一步增大。

 层间强制冷却对电弧熔丝
     增材制造钛合金温度场和流场的影响

张云舒1郑登勇2邵丹丹2徐晖2徐仁3吴斌涛1
1.宁夏大学材料与新能源学院2.中船黄埔文冲船舶有限公司广东省舰船先进焊接技术重点实验室3.中船桂江造船有限公司

摘要：

电弧熔丝增材制造（wire arc additive manufacturing,WAAM）工艺具有设备成本低、制造效率高等优势，广泛应用于航空航天、舰船、武器装备等制造领域，但沉积过程中的热积累容易导致结构成形效率、成形精度及成形质量下降。而层间强制冷却可以有效控制材料的沉积形貌和性能。采用数值模拟方法研究了不同冷却条件下电弧熔丝增材制造钛合金的熔池温度场和流场，分析了层间强制冷却对增材钛合金熔池的影响。

结果表明，层间强制冷却可以有效降低熔池的预热温度，缓解材料沉积过程中的热量积累，降低熔池流体流动速度，从而限制流体的流动范围，影响熔池尺寸成形。

 电子束熔丝增材制造
     Ti-6Al-4V钛合金研究进展

王明志1胡嘉南1,2,3辛社伟4张思远4刘志博1张家豪1杨义1王皞1
1.上海理工大学材料与化学学院2.中国科学院金属研究所师昌绪先进材料创新中心3.中国科学技术大学材料科学与工程学院4.西北有色金属研究院

摘要：

电子束熔丝增材制造技术因其电子束能量密度高、所处真空环境等优势，逐渐成为金属增材制造领域的研究热点之一。回顾了电子束熔丝增材制造技术的发展历程及现状，介绍了一种新型电子束熔丝增材制造技术——同轴送丝电子束熔丝增材制造。

结合作者课题组近几年的研究工作，针对Ti-6Al-4V钛合金的成形缺陷、显微组织及力学性能，对传统电子束熔丝增材制造技术和同轴送丝电子束熔丝增材制造技术进行了对比论述，其中同轴送丝电子束熔丝增材制造有望沉积β晶粒更细、更等轴的钛合金构件。最后结合当前研究存在的不足，对电子束熔丝增材制造的发展给出了建议。

 钛合金激光送丝沉积
     增材制造技术研究进展

姚俊卿1刘鑫旺1刘洁1赵宇凡2单飞虎3陈西锋4商国强5陈素明6张亚州6于飞7闫春泽1史玉升1
1.华中科技大学材料科学与工程学院,材料成形与模具技术全国重点实验室2.西北工业大学凝固技术国家重点实验室3.中国航空制造技术研究院,增材制造航空科技重点实验室4.中国航空工业集团公司西安飞机设计研究所5.中国航发北京航空材料研究院,先进钛合金航空科技重点实验室6.中航西安飞机工业集团股份有限公司7.中国飞机强度研究所

摘要：

与其它钛合金成形工艺相比，激光送丝沉积增材制造技术既能够制造出结构复杂、尺寸精度高、综合性能好的钛合金关键构件，又能克服传统钛合金增材制造技术存在的成本高、材料利用率低和效率低等问题。

目前激光送丝沉积技术正处于实验室向工程化应用的过渡阶段，通过建立材料-工艺-组织-性能的一体化设计、制造与调控理论方法是突破现有问题的发展方向，国内外研究者在此方面开展了许多探索工作。本文总结介绍了钛合金激光送丝沉积技术的基本原理和工艺分类，讨论了激光送丝沉积钛合金的组织、性能及调控方法的研究进展，并展望其未来研究目标与发展趋势。

 增材制造Ti基
     复合材料的研究进展

宫书林、张煜、宋美慧、李岩、李艳春
黑龙江省科学院高技术研究院

摘要：

随着航空航天、汽车工业等领域的快速发展，Ti基复合材料(TMCs)因其高强度、低密度、高温耐久性和优异的耐磨性而受到广泛的关注，通过增材制造技术制备的Ti基复合材料有着广泛的应用前景。在Ti基材料中添加合适的强化相可改变复合材料的微观结构和性能。

介绍了几种常用的增材制造方法及其特点，包括选区激光熔化(SLM)、激光金属沉积技术(LMD)、电子束熔化技术(EBM)和激光近净成形技术(LENS),综述了通过原位反应生成和直接添加强化相对Ti基复合材料的影响，为进一步研究增材制造增强钛合金及复合材料性能提供了理论依据。