钛脊合金拥有比强度高、高温力学机能和抗蠕变机能好、耐侵蚀机能好蹬着良的综合机能，被以为是继铝材、钢铁之后处于发展中的“战术金属”和“第三金属”[1-3]，在航空、航天、刀兵、化工、船舶等行业受到宽泛器沉[4-5]。

钛合金由于拥有优异的物理及化学机能，被以为是最适合造备成粉末的金属资料，因而基于模型切片分层造作道理的激光三维打。═hree Dimensional Printing， 简称3D打。┘际醭晌恢种苯釉熳黝押辖鹆慵的新型技术。3D打印是基于离散-堆积道理，利用CAD软件天生的三维实体模型，通过STL体式的分层软件驱动
？， 凭据每个层的二维数据节造激光、等离子、电子束和电弧等作用于粉末、液体或丝材，加工出所必要状态和尺寸的薄层，并逐层累积成实体模型的造作技术。3D打印 技术突破了传统“减材造作”依赖多工序结合造作的方式，可急剧精密地造作肆意复杂状态的零件，实现真正“自由造作”。近年来，世界列国对钛合金3D打印技术 进行了大量钻研，本文将对这些钻研做一总结。

1、3D打印成形钛合金构件缺点分析　

3D打印技术造备钛合金时，若是工艺参数选择不当，工件容易呈显禅孔、球化、熔合不良以及裂纹等缺点。

1.1 气孔缺点

气孔缺点的状态重要有球形[6]、椭球形、类球形、长条形和针孔形，如图1所示。气孔缺点对构件成形的致密度和力学机能等存在直接影响，大大降低实体构件的实用机能。

薛蕾[7]以为气孔缺点形成的原因是由水分引起的。若是粉末中含有水分，当水分受到激光加热就会形成大量的气体，离熔池表表比力近的部门会逸出来，但由于激光熔凝过程非
？，另表一部吩禅体来不及逸出便被“包裹”在金属中；另表由于粉末搁置时也会吸附一些气体，在激光熔凝过程中同样会产生上述情况，形成气孔。文艺[6]观察了激光束成形和电子束成形TC18钛合金气孔左近和远离气孔的组织，发显禅孔类缺点对周围组织状态无显著影响，无论是气孔左近组织还是远离气孔的组织均为网篮组织。张凤英[8]分析了松装密度对3D打印钛合金的气孔密度的影响，如图2所示，了局批注：随着粉末松装密度的增大，成形件内部气孔率逐步降低，因而，能够通过节造造粉工艺提高粉末松装密度，来削减或解除气孔。

1.2 球化缺点

球化是3D打印构件中存在的一种内涵缺点，该缺点重要的风险有两个方面：一方面导致金属件组织内部存在孔隙，大大降低成形件的力学机能并增长了表表粗糙度；另一方面，凝固后的金属球影响下一层的铺粉情况，且铺粉辊又会与前一层所产生的金属球相互摩擦，不只会粉碎成形件的表表质量，并且当他们之间摩擦极度大时，铺粉辊将无法前进，终止成形过程。

Sallica等[9]观察了用激光选区溶解成形步骤造备的成形件TC4合金的微观组织，发现熔融金属的表表能由于过高的激光功率而减幼，从而产生了球化景象。陈洪宇[10]钻研了影响球化效应的成分，他发现球化景象与激光能量密度η 有关，η 的增大会产生球化偏差，不休前进的液相前沿出现金属球化物，引起球化效应。

1.3 熔合不良

钛合金3D打印过程中，若是工艺参数节造不当，就会使各熔覆层之间未形成致密冶金结合而产生熔合不良缺点。薛蕾[11]通过尝试发现，3D打印TC4钛合金出现的熔合不良缺点（图3）与熔池“吞噬”粉末的能力有关。温度较低的固态粉末颗粒进入熔池后对熔池拥有冷却作用，减幼了溶解深度，了局造成层间熔合不良或建复区与基体熔合不良。影响层间熔合不良的最大成分是搭接率[11]，搭接率太幼，由于路与路的沉叠区域能量密度低，搭接区熔合不良而出现凹陷，使得表表精度较差。调整建复工艺，例如提高激光功率，降低光束移动速度，层间熔合不良缺点隐没。

1.4 裂纹缺点

由于3D打印技术是急剧溶解急剧凝固的过程，因而成形资料与基体之间必然会由于热膨胀系数、温度等的分歧而产生很大的残存应力，残存应力的存在导致裂纹的产生与扩散，如图4所示[12]。周旭[13]钻研了近α钛合金激光选区溶解成形开裂机理，发现由于空气附着在钛合金表表上，高温下与钛合金反映天生Ti3O、TiO[8]，这些化合物积累在一路，形成裂纹源。他同时提出，在钛合金激光选区溶解成形过程中先进行预热，降低温度梯度，同时在成形后保温及缓冷，可开释试样中的残存应力，从而有效抑造裂纹的产生。

2、热处置工艺对3D打印钛合金组织和机能的影响

由于3D打印成形得到的是急剧溶解-凝固组织，而这一过程会在构件内部产生较大的残存应力，因而必须通过热处置来解除残存应力，并且热处置还能够进一步细化组织，从而改善构件的力学机能、解除成吩飓析[14]。由于3D打印获得迪胙合金组织与传统铸造、铸造组织存在较大差距，经过传统的热处置工艺并不能使3D打印迪胙合金获得令人中意的力学机能。因而，优化3D打印钛合金热处置工艺获得的更好力学机能尤为沉要。

热处置工艺参数对3D打印钛合金的组织、机能存在较大影响。以最常见的α+β型TC4合金为例，3D打印TC4钛合金后，其显微组织重要由β相组成，该组织从高温区冷却后，维持原始晶界，晶内重要由针状或片状的魏氏组织和网篮组织组成，对其进行热处置后，将得到分歧的组织结构。孙幼燕[15]钻研了分歧固溶与时效热处置方式对3D打印造备的TC4合金组织及机能的影响。从图5中三种分歧热处置状态下的TC4合金金相组织能够看出，三种组织存在很大差距，别离为α固溶体和β固溶体的混合组织、网篮组织和双态组织。其中，网篮组织的高温蠕变机能以及强度、塑性均较好，而双态组织的塑性低、强度较高。Chandramohan[16]发现循环热处置工艺能够扭转3D打印TC4钛合金的尺寸、取向和相的数量，且晶粒取向在<1010>和<0001>之间能够获得较好的伸长率和强度。由于3D打印的成形个性，其构件内部会产生较大 的残存应力。为相识除残存应力，马瑞鑫[17]对3D打印TC4钛合金做了正火处置，并分析了分歧正火温度对机能的影响，如表1所示。从表中能够看出，试样的拉伸机能随着正火温度的升高逐步加强；倒佚火前提为990℃/2 h空冷时，其室温拉伸机能最优，其中拉伸强度、屈服强度及伸长率超过了锻件的国标要求。

近β型钛合金与α+β型钛合金分歧，由于在高温时拥有很好的不变性，使得该型钛合金即便在β相区加热较长的功夫，也不会出现显著的晶粒长大。Zhu[18]比力了TC17合金在α+β两相区和β相区退火的组织和机能，以及分歧保温功夫对组织和机能的影响，了局发现将3D打印的TC17合金在840 ℃下退火，会使α相的晶界变得粗壮，并且天生了次生α相，若是将温度升高到900 ℃，所有的α相均转化为β相，且合金成分散布均匀。另表，Liu[19]的钻研显示，用传统锻态资料常用的尺度三级热处置方式（图6）并不能使3D打印造备的Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe获得令人中意的强度和延展性，这是由于β晶界处依然存在陆续的α相。而经过近β转变温度下三级热处置（图6）的试样，其断裂方式转变为穿晶断裂，强度和延展性得到了很大的提高。

Li[20]的钻研批注，时效温度和时效功夫对3D打印的TA15合金的硬杜仔很大影响，如图7所示。通过对比发现，在650～700℃之间进行等温时效，且时效功夫为120 min，能够提高零件的强度。

3、钛合金3D打印技术在航空领域的钻研进展

3.1 国表钻研进展

2001年，AeroMet公司[21]选取 3D 打印技术为Boeing 公司舰载机试造了钛合金次承力结构件，如图8所示。该铸件尺寸为900 mm×300 mm×150 mm，是航空翼根吊环，已于2002年装机利用。2002-2005 年之间，AeroMet 公司[22]通过Lasform工艺系统造备了大型整体加强筋板钛合金发起机框，其尺寸达2 400 mm×225 mm×100 mm。意大利AVIO公司利用电子束熔炼技术（EBM）造备出了钛铝合金发起机叶片，比传统的镍基合金轻50%。Sciaky公司结合 Boeing和LockheedMartin公司发展了 EBF 钻研，重要致力于大型航空金属零件的造作，造备迪胙合金零件尺寸达5 800 mm×1 200 mm×1 200 mm[23]。目前，Sciaky公司成形钛合金件的最大速度可达18 kg/h，力学机能满足AMS4999尺度要求。图 9所示为Sciaky公司的大型航空钛合金零件。2017年3月，空客公司在其客机上装置了首个由3D 打印造作的主飞行节造液压元件（图10），并于 3月 30 日顺利实现初次飞行测试。

3.2 国内钻研进展

2007年，北京航空航天大学突破了飞机钛合金大型、主承力结构件激光3D打印关键技术，研造出世界最大飞机钛合金大型结构件激光急剧成形工程化成套设备，成形室尺寸为4 000 mm×3 000 mm×2 000 mm。

通过持久深刻钻研，北京航空航天大学研造了 TA15、TC4、TC11等大型、复杂、整体、主承力飞机钛合金加强框及A-100超高强度钢飞机起落架等关键构件，并实现了蕴含C919大型客机在内的多种型号飞机上的装机利用，使我国成为世界上唯一突破飞机钛合金大型整体主承力构件激光3D打印技术并实现装机利用的国度[24]。图11所示为北京航空航天大学研造的某型号飞机“眼镜式”钛合金大型、复杂、整体、主承力构件加强框。2012年，西北工业大学与中国商飞公司结合利用3D打印机造作了大飞机C919的中央翼缘条，尺寸为3 000 mm×350 mm×450 mm，质量196 kg，并通过了中国商飞公司的机能测试[25]。西北工业大学还用3D 打印技术造备了轴承座后机匣、超音速飞行器方向舵、复杂内部结构零件等构件，图12为航空发起机轴承后机匣。2016年，航天科工三院306所技术人员成功突破 TA15和 Ti2AlNb异种钛合金资料梯度过渡复合技术，其选取激光3D打印试造出拥有大温度梯度一体化钛合金结构进气路试验件，并顺利通过了力热结合试验。2018年，昆明理工大学利用激光选区熔融技术成功打印出了尺寸为250 mm×250 mm×257 mm的超大型复杂钛合金零件，这是迄今为止使用激光选区熔融步骤成形的最大单体钛合金复杂零件。

4、瞻望

钛合金3D打印技术扭转了人们对传统钛合金加工方式的意识，但是作为一项新型的造作技术依然存在好多问题，例如：3D打印技术对于大尺寸零件的造作效能依然偏低；在成形过程中存在气孔、球化、熔合不良以及裂纹等缺点；在急剧加热和急剧冷却过程中，零件内部产生较大的残存应力。因而，钛合金3D打印技术的发展必要科研院校和机构的共同致力，削减内部缺点，使得钛合金3D打印技术向着成本低、 不变性好及产业化和多领域的方向发展。

参考文件：

[1] 付艳艳，宋月清，惠松骁.航空用钛合金的钻研与利用进展 [J]. 罕见金属，2006，30（6）：850-856.

[2] 赵永庆. 国内表钛合金钻研的发展示状及趋向 [J]. 中国资料进展，2010，29（5）：1-8.

[3] 刘奇先，刘杨，高凯. 钛合金的钻研进展与利用 [J]. 航天造作技术，2011（4）：45-48.

[4] 訾群. 钛合金钻研新进展及利用近况 [J]. 钛工业进展，2008，25（2）：23-27.

[5] 彭昂，毛振东. 钛合金的钻研进展及利用近况 [J]. 船电技术，2012，32（10）：57-60.

[6] 文艺. 3D打印两相钛合金组织特点及缺点钻研 [D]. 江西：资阳航空大学，2016.

[7] 薛蕾，陈静，张凤英，等. 飞机用钛合金零件的激光急剧建复 [J]. 罕见金属资料与工程，2006，35（11）：1817-1820.

[8] 张凤英，陈静，谭华，等. 钛合金激光急剧成形过程中缺点形成机理钻研 [J]. 罕见金属资料与工程，2007，36（2）：211-215.

[9] SALLICA L E，JARDINI A L，FOGAGNOLO J B. Microstructure and mechanical behavior of porous partsobtained by selective lasermelting [J]. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials，2013，26：98-108.

[10] 陈洪宇，顾冬冬，顾荣海，等. 5CrNi4Mo模具钢选区激光溶解增材造作组织演变及力学 机能钻研 [J]. 中国激光，2016，43（2）：0203003.

[11] 彭谦，董世运，闫世兴，等. 激光溶解沉积成形缺点及其节造步骤综述 [J]. 资料导报，2018，32（15）：157-162，173.

[12] 邵玉呈，陈长军，张敏，等. 关于Deloro 40镍基合金粉末激光增材造作成型件裂纹问题钻研 [J]. 利用激光，2016（4）：397-402.

[13] 周旭，周燕，魏青松，等. 激光选区溶解近α钛合金开裂机理及抑造钻研 [J]. 中国机械工程，2015，26（20）：2816-2820.

[14] 董博伦，柏久阳，林三宝，等. 激光/电弧增材造作金属的热处置工艺钻研近况与发展 [J]. 焊接，2016（4）：17-22.

[15] 孙幼燕，殷韦韦，袁力. 3D打印TC4钛合金粉末造备步骤及组织机能钻研 [J]. 设备造作技术，2018，284（8）：187-190+223.

[16] CHANDRAMOHAN P. Laser addictive manufactured Ti-6Al-4V alloy：Texture analysis [J]. Material Chemistry and Physics. 2019（226）：272-278.

[17] 马瑞鑫，徐国建，刘占起，等. 正火温度对激光3D打印钛合金组织及拉伸机能的影响 [J]. 中国激光，2019，46（7）：0702008-1.

[18] ZHU Y Y，CHEN B，TANG H B，et al. Influence of heat treatments on microstructure and mechanical properties of laser additive manufacturing Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr titanium alloy [J]. 中国有色金属学报（英文版），2018，28（1）：36-46.

[19] LIU C M，WANG H M，TIAN X J，et al. Subtransus triplex heat treatment of laser melting deposited Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe near β titanium alloy [J]. Materials Science and Engineering：A，2014，590：30-36.

[20] LI J，WANG H M. Aging response of laser melting deposited Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V alloy [J]. Materials Science and Engineering：A，2013，560：193-199.

[21] MINN E P. Laser-formed titanium parts certified for aerospace [J]. Advanced Materials and Process，2000，158（5）：15.

[22] ARCELLA F，GABBOTT D H，HOUSE M A. Titanium alloy structures for airframe application by the laser forming process [C]//41st Structures，Structural Dynamics， and Materials Conference and Exhibit. 2000.

[23] BIRD R K，ATHERTON T S. Effect of orientation on tensile properties of inconel 718 block fabricated with electron beam freeform fabrication（EBF3） [J]. 2010（7）：1-17.

[24] 张学军，唐思熠，肇恒跃，等. 3D打印技术钻研近况和关键技术 [J]. 资料工程，2016，44（2）：122-128.

[25] 魏冷. “3D打印”助力C919大型客机 [J]. 大飞机，2013（1）：42-45.