钛合金拥有高比强度、比刚度和优良的耐侵蚀机能，是大型民用客机不成或缺的结构资料之一 [1] ，其中双相TC4合金是钛合金中利用最为宽泛的合金系统，在民机造作中阐扬着沉大作用 [2-3] 。增材造作作为21世纪发展最为迅速的技术之一，其无需模具、高效急剧的技术优势，在民用航空等多个领域获得了迅猛的发展 [4-7] 。而选区激光溶解Selective Laser Melting，SLM）成形钛合金在造备轻量化、结构职能一体化复杂精密构件中优势显著 [8-10] ，在大型民用客机的机体结构、航空发起机和机载系统中得到了大量的实际利用。

钛合金粉末是选区激光溶解成形钛合金构件的基础，其理化个性影响着增材造作造件的机能 [11] 。 尤其在民用航空领域对钛合金构件机能高不变性和高靠得住性的要求下，对于所使用迪胙合金粉末资料的理化个性、质量节造以及使用过程必然会提出更高、更严的要求。对钛合金粉末的造作、处置、检测评价和使用过程的全流程管控，成立评价尺度，有助于进一步推动选区激光溶解钛合金在民机领域的利用 [12] 。其次，民机研造中对增材造作多元金属资料、多种服役零件的需要逐步增大，增材造作在民机领域的急剧发展带头了球形金属粉末日益增长的需要 [13-14] ，因而高效造备高品质增材造作专用粉末成为突破增材造作民机领域利用，实现产能升级的关键之一 [15] 。

综述以民机领域增材造作用适航级钛合金粉末资料为对象，对粉末的造备工艺、理化机能检测及评价指标进行梳理分析，并论述了增材造作钛合金粉末的适航切合性钻研进展，沉点介绍了民机领域中关注的粉末原资料质量节造要求与沉复利用钻研进展，列举了目前已经实现民机领域利用的案例，并提出造约增材造作金属粉末资料在民机进一步批产利用的瓶颈和挑战。

1、民用航空增材造作用钛合金粉末的造备与发展示状

1.1 钛合金粉末造备技术道理与发展示状

粉末原资料作为民机增材造作零件的最幼单元，是实现民机钛合金零件高质量和高不变性的前提，其品质和批次不变性直接决定着增材造作产品能否满足适航认证的要求，粉末原资料也是增材造作在适航认证过程中不成或缺的一环。目枪合金粉末造备的工艺重要有电极感应熔炼气雾化（Electrode Induction Melting Gas Atomization，EIGA）技术、等离子雾化（Plasma Atomization，PA）和等离子旋转电极雾化（Plasma Rotating ElectrodeProcess，PREP）三种。三种粉末造备工艺的道理以及特点如图1和表1所示。图2为利用上述三种工艺造备的粉末描摹。

钛合金粉末是 3D打印适航认证的沉要基础，其成分、品质和批次不变性直接决定着3D打印产品能否满足适航要求。等离子旋转电极雾化（PREP）细粉收得率低，因而该工艺造备的粉末重要合用于LMD工艺。而目前国际适航级高瓢荼瘅流钛合金粉末均选取电极感应熔炼气雾化（EIGA）和等离子雾化（PA）技术造备。

目前，国表在钛合金粉末造备技术以及质量节造上处于领跑职位，其中美国GE公司在2016年收购了AP&C公司，选取的PA工艺造备迪胙合金粉末，可能实现年产钛合金粉末1 000 t以上，粉末细粉收得率大于70%，粉末球形度好、氧含量低，已成为空客、波音、GE 的 3D 打印原资料指定供给商

；美国 Carpenter、Praxair、Hoeganaes 公司、瑞士 Oerlikon 公司、英国LPW technology、瑞典Sandvik公司等均针对增材造作用钛合金粉末成立了技术研发及批量造作能力。

近几年，国内钛合金粉末的造备厂商在高品质钛合金粉末的造备技术上也获得了阶段性进展，基于EIGA技术，通过熔炼工艺和高效雾化喷盘设计优化，实现钛合金细粉收得率靠近 60%，靠近国表先进水平。目前增材造作钛合金粉末造作商出现“百花齐放”景象，江苏威拉里、中天上材、飞而康、金雾、中航迈特等造粉单元陆续实现造粉关键技术攻关和设备优化设计，进入公共视野。

1.2 增材造作用钛合金粉末的检测与评价步骤

有别于其他状态迪胙合金原资料，粒径散布、流动性、颗粒状态、密度等成为增材造作用钛合金粉末特有的理化个性 [19] 。这些特有的理化个性影响着增材造作的工艺过程，例如铺粉质量，从而最终影响着增材造作造件的力学机能。因而，正向鉴别粉末原资料的关键理化个性，成立评价步骤和检测尺度，是民用航空增材造作金属粉末利用过程中关注的沉点之一。

目前针对金属粉末资料的检测，也已经形成了检测的步骤和尺度。其中，流动性作为金属粉末一项综合工艺机能指标，对于增材造作工艺尤其是粉末床 SLM 工艺影响显著，其直接关乎粉层铺粉的均匀性以及打印中的现实层厚 [20] 。对激光送粉（Laser Melting Deposition，LMD）工艺 ，粉末的流动性直接影响粉末输送的流畅度和送粉精度。对于粉末流动性的检测步骤有漏斗法和安眠角法 [21] ，GB/T 1482-2010 和 GB/T 11986-1989 别离划定了上述两种步骤的检测要求。ASTM 协会颁布了 ASTM B213《使用霍尔流量计金属粉末流量的尺度试验步骤》，划定了粉末流动性的检测步骤。

粉末的粒径散布与流动性有关联，粒径过幼，比表表积增长，粉末容易团圆，降低流动性。粒径过大，在铺粉时则会存在较大的颗粒间隙，不足粉末填充而造成致密度降低 [22] 。目前用于SLM成形的粉末粒径建议为0~53 μm，但凭据SLM设备粉末输送道理的分歧，对于上送粉设备，更推荐使用粉末粒径在15~53 μm。对于金属粉末的粒径检测步骤有：筛分法、激光粒度法、动态颗粒图像分析法 [23] 。检测尺度有 ASTM B822、GB/T 1480-2012《金属粉末干筛分法测定粒度》、GB/T 19077-2016 《粒度散布激光衍射法》等。除了流动性与粒径散布，粉末描摹也影响着粉末的工艺阐发与成形机能，从而影响增材造作质量的身分之一。如球形度，非球形粉末会导致粉层中未填充区域增多，从而降低铺粉密度，并且激光可由非球形颗粒反射而被上部门粉末捕获，造成基层粉末接管到的激光能量降低。粉末的典型缺点佑装空心粉”[24] 和“卫星球”，空心粉是在气雾化中，粉末液滴在未产生球化时先凝固，过程中可能由于气流错乱，氩气进入颗粒内部，或者由于粉末脱气不齐全，由表表吸附的氩气形成？招姆勰┑拇嬖诨岬贾鲁尚渭内部出现孔隙缺点，形成裂纹源等。卫星球则是在气体雾化过程中雾化熔滴粒度分散，幼熔滴活动速度与凝固速度较快，与液态/未齐全凝固的大熔滴产生碰撞，随后熔滴之间产生熔结，大熔滴凝固后，形成幼颗粒粘结在大颗粒表表，形成卫星球 [25] ，如图4所示。粉末描摹的检测步骤为显微镜法、扫描电镜 SEM 法以及工业推算机层析成像（CT）法 [26] 。图5为TC4钛合金粉末的理化个性分类以及检测步骤的梳理汇总。

2 、增材造作钛合金粉末资料的适航切合性钻研进展

民机造作中使用的资料和造作步骤必须经过适航认证，能力够装机利用 [27] 。在进行民航规章CCAR25-R5 中资料有关 603、613 条款 [28] 的切合性中，在发展资料的适航切合性验证中，资料应切合某种资料规范，资料规范保障资料拥有设计资料所选取的强度机能和其他机能 [29] 。资料规范作为型号设计资料的一部门，必须得到适航审查代表的核准 [30] 。增材造作作为近些年来逐步发展起来的一项新兴工艺技术，其成形质量与不变性受到了来自资料、设备、工艺等多沉变异前提的综合影响，粉末原资料的节造对溶解工艺过程至关沉要。

2.1 面向适航认证的粉末资料规范成立

国内表组织机构如NASA、SAE、中国适航鉴定中心等都明确提出，应对增材造作金属粉末原资料的质量进行节造，其节造身分应至少蕴含：化学成分、粒径、流动性以及粉末的描摹等，需通过成立资料规范实现对原资料的节造。在AMS 7003规范中，专门设置3.1.6章节对粉末原料处置和贮存打算进行划定。除此之表，节造粉末的造作和使用过程也是实显熹质量管控的必要伎俩之一。蕴含粉末造备工艺、取样步骤、批次的混合节造、清洁度和传染节造、包装标签和环境节造等，均会影响增材造作的成形质量，必要通过资料规范或者工艺文件进行节造７⒄够谧柿细鲂砸约肮ひ展堂舾行宰暄，成立原资料规范，是增材造作粉末适航认证的第一步。在资料规范中，应节造原资料成分、微量元素、杂质、成分散布的变动和其他有关个性。其次，对于影响最终零件质量的成分，例如流动性、颗粒状态、粒径散布（蕴含粒径限度）、清洁度以及验收测试要求也要做出划定。最后，还应界说批次验收测试或统计过程节造，以确保资料个性不会随功夫偏移。

TC4双相钛合金凭据其资料成分的差距，又能够分为通常TC4合金、TC4 ELI和TC4 DT资料，美国汽车工程师学会 SAE 2022 年颁布了关于 TC4ELI粉末的尺度，与通常钛合金粉末资料的成分要求相比，对于Al, O和N进行了分级要求，总体要求是，O元素的含量降低，不超过1.3×10 ^-3 ，N含量据分级的要求划定不超过 0.05% 或者 0.03%。另表 ，AMS 4905中则划定了对于危险容限型钛合金的要求，对于危险容限型TC4资料而言，重要是通过收窄Al和V含量，下限提高，保障肯定强度，上限降低提高韧性

；降低O、N、C元素含量，和提高Fe的含量提高断裂韧性。

国内表民机主造作商以及增材造作供给商，都成立了粉末资料的工艺节造系统，从而实现对增材造作构件质量的节造。例如，国表某飞机造作商，造 定 了《Titanium alloy Additive Manufactured by powder bed technology Technical Specification》规范，规范中对钛合金粉末原资操持化个性以及质量节造进行了具体的划定。中国商飞在鉴定中心局方的领导下，确定了造粉关键工艺参数、成立造粉工艺节造文件，形成粉末质量节造技术要求，并成立了钛合金粉末原资料规范。对造粉棒材、造粉的过程参数进行全面的管控，例如，棒材的成分、造粉过程氧增、粉末网络灌装中的钝化处置环节都有助于获取越发不变、可控可追忆的粉末资料。通过“资料规范”与“工艺节造文件”节造而造备获取迪胙合金粉末，实现适航取证，实现型号利用。

2.2 适航级钛合金粉末沉复利用钻研进展

增材造作粉末的沉复利用一向一来都是民用航空领域的关注沉点之一 [31] 。最大的原因是粉末沉复利用可能带来可观的经济效益，其次，粉末沉复利用中涉及到激光、热量的综合累计作用，而带来的理化个性和成形机能的扭转，有助于业内更好的理解增材造作的多沉变异过程。突破粉末沉复利用的瓶颈将是实现增材造作金属在民机领域发作式利用的必要前提之一。

NASA 在 MSFC-SPEC-3717 规范指出，在满足要求的情况下，允许粉末沉复使用。国表有单元提出允许粉末沉复利用且不推荐沉复利用粉末超过10次

；裟嵛ざ驹诜⒄辜す庠霾脑熳鹘鹗糇柿闲碛弥悼⑹，将原资料粉末沉复利用作为变异性成分纳入考量，以实现降低粉末使用的成本。国内民机增材造作中，钛合金粉末沉复利用4次也已经获得适航当局的核准。把握钛合金粉末在沉复利用过程中的“降解行为”的差距性，有助于为粉末的沉复利用造订尺度规范。在民机造作中，对增材造作金属粉末资料的沉复利用沉点关注两个方面：

（1）基于复杂热汗青下的粉末沉复利用中理化个性的演变

； （2）成立面向多元复杂利用需要的粉末沉复利用机造。

在钛合金粉末的沉复利用过程中，粉末存在肯定的个性演变，重要体此刻化学成分、粒径和描摹的变动。随着粉末沉复利用的进行，O、N元素含量增长，Al元素则出现烧损降低的趋向。图6和图7为“极限循环”和“按比例增长新粉”两种前提下，SLM成形钛合金粉末及造件机能的变动趋向。 “极限循环前提”下粉末和造件机能的变动更为显著，也更容易达到粉末的使用极限。通过该钻研注明，通过成立合理的粉末沉复利用机造，可能提高粉末的可沉复性

；厥辗墼倮煤笱鹾吭龀さ木跋笠苍赟LM超低间隙TC4中得到了证实 [32] 。在沉复利用机造下，SLM成形TC4粉末的其他个性也出现肯定的变动趋向。其中，粉末颗粒表表仅在使用次数较多时变得更为粗糙 [33] ，球形度根基无变动。随着粉末沉复利用的推动，幼颗粒粉末逐步溶解凝固，粉末的粒径增长， “卫星粉”逐步隐没 [6] 。

关于粉末沉复利用机造的成立，在 AMS 7031 “Batch Processing Requirements for the Reuse of Used Powder in Additive Manufacturing of Aero‐space Parts”规范中 [34] ，提出了 5种粉末沉复利用的机造，如图8所示。这五种机造别离是（1）单一粉末批次下，不增长新粉的极限循环使用机造

； （2）每次打印前，将原料与新粉混合后循环使用

； （3）基于设定的打印频率加满新粉后混合

； （4）一样工艺汗青粉末的混合再利用

； （5）一样工艺汗青的粉末与增长的新粉混合再利用。

2.3 适航级增材造作钛合金粉末质量评价

面向适航认证需要迪胙合金粉末，在进行民机型号利用推动过程中，其化学成分、粉末理化个性的批次不变性、粉末造备过程中的质量节造是影响增材造作成形机能的关键指标。其中化学成分作为影响成形机能关键，尤其面向当前高强高韧需要的利用布景下，通过成分优选和设计有助于推动高强高韧机能的实现。Fuwen Chen [35] 通过钻研发现，提升TC4合金中的Fe含量，实现Fe微合金化后，微量Fe的参与引起了β相中的V和Fe组分的二次分配，推进晶格畸变与振动，其强度、硬度、伸长率与传统TC4资料靠近的同时，其断裂韧性显著提升，达到了TC4_ELI相当，甚至优于TC4_DT。其次，Fe的微合金化还会影响组织从而改善断裂韧性，其断裂韧性超过了100 MPa.m ^1/2 。

TC4 粉末理化个性的批次不变性直接影响到增材造作造件的机能不变性。其中对于批次不变性的指标应蕴含对于流动性、粒径散布、密度等指标。粉末造备过程中的质量节造一方面是为了保障粉末质量的批次不变性。另一方面，以成立 TC4 资料许用值为指标，对粉末造备过程中母合金的质量节造，是实现增材造作机能遵从特定散布，满足资料许用值推算的必要前提之一。

3、 增材造作钛合金粉末在民机领域的利用

在国内民机领域，增材造作技术成熟度较高的还是聚焦在选区激光溶解SLM成形钛合金上，对适航级钛合金粉末及增材造作构件造备技术发展了肯定的钻研工作，逐步实现SLM成形钛合金静强度结构件在国产大型客机上的装机利用。成立静强度驱动的零件单件适航认证蹊径，SLM成形的支座和弯管实现装机。据统计，零件造作成本和板材机加工相当，资料利用率提升50%以上，随着粉末沉复利用技术的进一步推动，资料利用率还将进一步提升，为今后面向增材造作的结构正向设计、承力件等装机利用奠定基础。批产交付中的随炉试样测试了局批注，零件的机能不变，其离散系数满足Cv靠近1%（部门数据），如图9所示。

在国际上，空客公司作为在民用航空增材造作领域利用的领跑者，在A330、A350民用客机上已实现超过100个图号增材造作钛合金构件的利用，支架、舱门铰链实现批量装机利用。美国GE公司近年来收购多家增材造作资料、设备、服务公司，实现了增材造作在多型主力商用发起机系统中批量利用。德国利勃海尔公司作为沉要的机载系统供给商，针对民机前起落架传感器支架进行面向3D打印的拓扑优化设计和批量打印造作，机能提升的同时实现减沉45%以上，如图10所示。

4、 造约增材造作金属粉末在民机批产利用的瓶颈和挑战

选区激光溶解成形钛合金构件已经实此刻国产飞机舱门结构中的利用，实现批产交付。在未来更多民机型号、更多零件数量、分歧机能需要的引领下，增材造作金属粉末在民机领域的利用存在更大的空间，也面对着更大的利用挑战。

4.1 资料成分设计实现高强高韧机能调控

目前民用航空领域使用较为成熟迪胙合金粉末，其 SLM 成形静力强度满足飞机上静强度驱动的非 PSE 件的设计需要，通过“单件适航”认证的蹊径，已经成功实现了装机飞行。但是面向飞机机体结构、机载系统对高强高韧复杂钛合金等金属结构件的造作和利用需要 ，成立面向危险容限设计的零件适航认证需要，利用高通量等步骤发展增材造作金属粉末的成分设计，揭示分歧成分元素对金属构件的加强增韧机造，实现机能的精准调控是金属粉末利用民机领域的趋向之一。

4.2 粉末造备过程中的质量与缺点节造技术

增材造作金属粉末造备过程也直接影响粉末理化个性和工艺机能。用于SLM成形的粉末粒径较幼，目前造约粉末造备技术的难题重要有：细粉收得率较低 [38] 、粉末低缺点造备和评价及批次间的机能不变性节造。因而，通过优化雾化造粉过程中的关键参数，提升粉末造备过程中的熔体过热度，基于De Laval超音速喷嘴的新型雾化器结构设计等伎俩是用于提升细粉收得率的有力蹊径 [39] 。若何在粉末造备过程中预防/削减缺点的形成，是实现粉末质量和机能提升的沉要蹊径。通过降低雾化气体动能的方式能够抑造粉末内部孔隙的形成，从而削减空心粉。而在雾化造粉过程当选取表加气流的方式可预防“卫星球”的形成。

4.3 民机领域中增材造作粉末资料的质量与成本间的平衡

增材造作成形粉末资料与传统冷加工工艺分歧，粉末的理化个性、增材造作非平衡的工艺过程、分歧结构件造作的热累积、分歧设备成形机能的差距性，均为增材造作金属资料引入了变异性。目前，在民机型号上利用的金属粉末资料，在进入民机选用资料目录手册前，要经过大量的批次验证和合格鉴定来证明其不变性和切合性，在保障增材造作质量的同时，不成预防成本居高的景象。因而，应从以下三个方面去解决： （1）加快增材造作基础技术攻关，攻克资料工艺共性技术

； （2）加快成立通用的粉末评价尺度，实现分歧起源的粉末机能数据共享通用

； （3）飞机主造作商阐扬供给链链长的作用，做好供给商造就和治理，与供给商共同致力，成立满足民机研造需要的增材造作金属粉末供给链。

5、 结论与瞻望

综述了面向适航认证需要的增材造作钛合金粉末的造备工艺及特点，从钛合金粉末原资料影响造作机能的个性启程，介绍了粉末分歧理化个性的检测评价步骤

；谑屎郊额押辖鸱勰┰诿裼煤娇樟煊虻睦媒，论述了民机适航认证对于钛合金粉末的质量节造要求，并介绍了钛合金粉末的沉复利用钻研进展。面向未来民机型号研造的沉大需要，激光增材造作金属粉末在民机造作领域还存在肯定的利用瓶颈和利用挑战，而发展以机能调控为导向的粉末成分设计、攻克粉末造备中的质量和缺点不变节造，以及解决粉末质量和成本的平衡问题，将是后续在民用航空领域中钻研和发展的沉点方向。

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