引言

金屬3D打印技術(shù)源于20世紀(jì)90年代的快速成形工藝(Rapidprototyping,RP),以“離散+堆積”的增材制造理念作為基礎(chǔ),應(yīng)用高能粒子束熔化金屬粉末,結(jié)合三維實(shí)體數(shù)字模型逐層制備高性能近全致密金屬零件[1]。粉末金屬3D打印技術(shù)主要由激光熔化沉積成形技術(shù)(LMD)、激光選區(qū)熔化成形技術(shù)(SLM)、電子束選區(qū)熔化成形技術(shù)(SEBM)三種技術(shù)組成 [2-5]。相比于精密鑄造、軋制鍛造等傳統(tǒng)工藝,3D打印技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于:(1)高能粒子束瞬時(shí)溫度可達(dá)數(shù)十萬(wàn)攝氏度,適于制備鈦合金等難熔金屬零件;(2)屬于近凈成形技術(shù),節(jié)省機(jī)械加工時(shí)間和減少金屬?gòu)U料,適于制備難加工、難變形鈦合金零件;(3)增材制造技術(shù)理念,無(wú)需造型模具即可制備幾何形狀復(fù)雜的鈦合金零件,不僅能夠大幅縮短零件從設(shè)計(jì)到投產(chǎn)的生產(chǎn)周期,并且能夠避免陶瓷夾雜污染;(4)真空或惰性氣體氣氛的制備環(huán)境,最大程度地避免氮、氧等雜質(zhì)氣體對(duì)合金性能的影響;(5)精確控制合金成分分布,適于制備雙合金盤等功能梯度材料[6,7]。

鈦合金具有高比強(qiáng)度、低熱膨脹系數(shù)、強(qiáng)耐腐蝕性、良好的生物相容性等優(yōu)點(diǎn),在航空航天、石油能源、醫(yī)療器械、海洋艦船等領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用,并已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)化規(guī)模[8-11]。將金屬3D打印技術(shù)應(yīng)用于鈦合金零件制備,不僅能夠顯著提高鈦合金材料利用率,還能克服鈦合金難熔難變形、易受陶瓷坩堝和氣體元素污染的工藝難點(diǎn),因此具有廣 闊的應(yīng)用前景。本文對(duì)粉末鈦合金3D打印技術(shù)的制備原理、成形件特點(diǎn)進(jìn)行討論,并對(duì)近年來(lái)相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié),最后討論了粉末鈦合金3D打印技術(shù)市場(chǎng)化現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)。

1、鈦合金3D打印技術(shù)的研究現(xiàn)狀

1.1激光熔化沉積成形技術(shù)(LMD)

激光熔化沉積成形技術(shù)于20世紀(jì)90年代由美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)Optomec公司合作開(kāi)發(fā)。隨后,全世界高校和科研機(jī)構(gòu)相繼開(kāi)展獨(dú)立的研究工作,例如美國(guó)Sandia實(shí)   驗(yàn)室的激光凈近成形技術(shù)(LENS)[3]、中國(guó)西北工業(yè)大學(xué)的激光立體成形技術(shù)(LSF)[12]、英國(guó)曼徹斯特理工學(xué)院的激光直接沉積技術(shù)(DLD)[13]、美國(guó)密西根大學(xué)和POM公司的金屬直接沉積技術(shù)(DMD)[14]等。雖然名稱不同,但是基本原理均是利用惰性氣體輸送金屬粉末,再通過(guò)送粉器和粉末噴嘴將金屬粉末聚集于千瓦級(jí)激光束焦點(diǎn)處進(jìn)行瞬時(shí)熔化,然后按照計(jì)算機(jī)模型自下而上地逐層堆積金屬熔融層,最終直接打印出三維金屬成形件,整個(gè)制備過(guò)程均處于惰性氣體保護(hù)之中,工作原理示意圖如圖1所示[15]。

LMD主要參數(shù)包括激光功率、掃描速度、搭接率、單層厚度、送粉速率等,為了便于試驗(yàn)分析,引入線能量并將其定義為激光功率與掃描速度的比值,單位為J/mm。LMD以千瓦級(jí)激光器為能量源,熔池溫度高,易形成粗大的晶粒,在制備Ti-22Al-25Nb過(guò)程中,顯微組織表現(xiàn)為細(xì)針狀魏氏體組織[16,17]。張霜銀等[18]研究表明線能量大于993J/mm時(shí),晶粒呈現(xiàn)等軸晶形態(tài);搭接率為40%時(shí),成形件未見(jiàn)熔合不良現(xiàn)象;單層厚度過(guò)小會(huì)造成重熔加深,導(dǎo)致層間組織粗大。LMD鈦合金組織具有外延生長(zhǎng)的特性,易形成貫穿多個(gè)沉積層的柱狀晶粒,顯示出定向凝固特征。Carroll等[19]制備的“十”字型Ti-6Al-4V合金成形件,初生β相沿豎直方向生長(zhǎng)為細(xì)長(zhǎng)的柱狀晶粒,成形件具有力學(xué)各向異性,其中橫向伸長(zhǎng)率明顯高于縱向伸長(zhǎng)率。Qiu等[20,21]研究表明高激光功率和低送粉率能夠最大程度地減少Ti-6Al-4V合金的孔隙率,通過(guò)后續(xù)熱等靜壓處理能夠促使馬氏體α′相轉(zhuǎn)變?yōu)槠瑢訝?alpha;+β相,進(jìn)而提高合金韌性、消除力學(xué)性能的各向異性。TC11鈦合金成形件沿垂直于激光抬升方向具有高強(qiáng)度和低塑性的力學(xué)性能;近β相鈦合金Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1F的晶粒擁有3種形態(tài),分別為沉積層重疊區(qū)的大柱狀、頂部的小柱狀和底部的等軸狀[22-25]。表1列出不同牌號(hào)鈦合金LMD成形件的力學(xué)性能。

1.2激光選區(qū)熔化沉積成形技術(shù)(SLM)

激光選區(qū)熔化成形技術(shù)最早于1995年由德國(guó)Frau-hofer[27]研究所提出,該技術(shù)是在C.R.Dechard[28]激光選區(qū)燒結(jié)成形技術(shù)(Selectivelasersintering,SLS)的基礎(chǔ)上發(fā)展而成,兩者的工藝原理基本相同,具體流程如下:掃描前,水平鋪粉輥將金屬粉末平鋪在基板上;激光束依照三維輪廓數(shù)據(jù)選擇特定區(qū)域進(jìn)行粉末熔化,加工出當(dāng)前層的輪廓;然后通過(guò)可升降平臺(tái)下降一個(gè)圖層的厚度,粉輥在已加工好的前一圖層上平鋪金屬粉末,控制程序調(diào)入下一圖層數(shù)據(jù)進(jìn)行加工,如此層層重復(fù)制備金屬零件。整個(gè)過(guò)程均處于惰性氣氛保護(hù)中,避免高溫條件下鈦合金與雜質(zhì)氣體發(fā)生反應(yīng),保證鈦合金成形件的成分符合要求。

SLM工藝參數(shù)包括激光功率P、掃描速度v、單層厚度t、掃描間距h、掃描策略等,引入綜合評(píng)定參數(shù)能量密度,單位為J/mm³。研究表明[29,30],低能量密度易在Ti-6Al-4V成形 件頂部出現(xiàn)大量氣孔和熔合不良點(diǎn),顯微組織以片層狀α+β相為主;高能量密度易導(dǎo)致材料汽化而生成內(nèi)嵌孔,顯微組織以針狀馬氏體α′相為主。Thijs等[31]研究表明高能量密度促進(jìn)鋁元素偏聚在TC4合金熔池邊界,從而增大α2-Ti3Al相含量。Yadroitsev等[32]利用CCD相機(jī)光學(xué)監(jiān)控系統(tǒng)觀測(cè)到增加激光功率、延長(zhǎng)激光輻照時(shí)間均會(huì)提高熔池的最高溫度、幾何寬度和深度。此外,近年來(lái)學(xué)者將熱等靜壓技術(shù)(HIP)與SLM技術(shù)配套使用,有效降低SLM成形件的孔隙率。研究表明[33-38],通過(guò)HIP處理,能夠?qū)⒖紫堵蕪某练e態(tài)的0.501%降低為熱等靜壓態(tài)的0.012%,并能改善合金性能。圖2為激光選區(qū)熔化成形示意圖,表2列出了SLM鈦合金成形件力學(xué)性能。

1.3電子束選區(qū)熔化成形技術(shù)(SEBM)

電子束選區(qū)熔化成形技術(shù)由瑞典ChalmersUniversityofTechnology與Arcam公司在20世紀(jì)90年代初期共同開(kāi)發(fā),采用逐層鋪粉熔化的方式制備金屬零件,工藝流程與SLM 類似,區(qū)別在于SEBM以電子束替代激光作為能量源,制備過(guò)程處于10^-3Pa以上的高真空環(huán)境。電子束能量源具有能量利用率高、作用深度大、金屬反射小、材料吸收率高等優(yōu)點(diǎn),   成形效率明顯高于SLM工藝;高真空環(huán)境能夠最大程度地降低空氣中O、N等間隙元素對(duì)材料的污染。

SEBM技術(shù)參數(shù)主要包括電子束電流、焦點(diǎn)補(bǔ)償、掃描速率、加速電壓等。SEBM技術(shù)制備的Ti-48Al-2Nb-2Cr合金顯微組織擁有板條狀、塊狀等多種形態(tài)的γ-TiAl相集束[39]。

SEBM技術(shù)制備的Ti-6Al-4V顯微組織以片狀α相為主,片層之間有少量β相[40]。Safdar等[41]試驗(yàn)表明SEBM技術(shù)制備的Ti-6Al-4V的粗糙度Ra值隨成形件高度和光斑直徑增 加而增加,隨掃描速度和焦點(diǎn)補(bǔ)償?shù)臏p小而減小。Karlsson等[42,43]采用SEBM制備的Ti-6Al-4V成形件側(cè)面附著有更多的未熔顆粒,頂面由于重熔效應(yīng)而相對(duì)光滑。

SEBM采用超高動(dòng)能電子束高速轟擊金屬球形粉末,如圖3所示,當(dāng)電子束部分動(dòng)能直接轉(zhuǎn)化為粉末動(dòng)能時(shí),容易引發(fā)粉末潰散現(xiàn)象,即粉末顆粒會(huì)被電子束“推開(kāi)”而形成炊粉現(xiàn)象 [44]。目前,防止炊粉的基本原則是提高粉床的穩(wěn)定性,從而克服電子束推力,措施包括:選擇適宜的粉末粒度和流動(dòng)性、預(yù)熱粉末和基板、優(yōu)化電子束掃描策略。Hrabe等[46]預(yù) 先加熱基板從而有效防止粉末潰散現(xiàn)象,并獲得顯微組織均勻、力學(xué)性能相近的不同高度成形件。表3為不同SEBM鈦合金成形件的力學(xué)性能,表明SEBM鈦合金依然具有力學(xué)各向異性。

2、粉末鈦合金3D打印應(yīng)用進(jìn)展

近年來(lái),3D打印設(shè)備和金屬粉末制備技術(shù)的持續(xù)發(fā)展,不斷推進(jìn)3D打印粉末鈦合金成形件在醫(yī)療、航空航天等領(lǐng)域的市場(chǎng)化應(yīng)用。表4對(duì)比研究了LMD、SLM、EBM三種3D打印技術(shù)的參數(shù)特點(diǎn)。LMD設(shè)備利用千瓦級(jí)激光器,成形效率高,易于獲得全致密的顯微組織,通常情況下用于制備大尺寸鈦合金結(jié)構(gòu)件,例如,2001年美國(guó)AeroMet公司的鈦合金翼根吊環(huán)、近幾年國(guó)產(chǎn)大客機(jī)C919的鈦合金中央翼梁和殲31的主承力鈦合金加強(qiáng)框構(gòu)件。但是,成形件尺寸精度低、機(jī)加工余量大、高功率激光易氧化是制約LMD技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的主要因素。SLM設(shè)備光斑直徑小、單層厚度低、粉末粒度小,因此具有最優(yōu)的表面質(zhì)量,適于制備多孔材料、幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜的小型鈦合金部件等凈成形零件,如圖4所示。

但是,SLM成形效率低、金屬粉末成本高昂是該工藝亟待解決的技術(shù)難點(diǎn)。SEBM設(shè)備能力介于LMD與SLM兩者之間,既有較好的表面質(zhì)量,又有較高的成形效率,是目前醫(yī)療領(lǐng)域、航空領(lǐng)域的主要制備技術(shù),如圖5所示。表5列出了不同3D打印設(shè)備的成形件尺寸和能量源功率,可以看到,SLM和SEBM的設(shè)備能量源功率和成形件尺寸均小于LMD設(shè)備,因此,LMD具備打印大型成形件的能力。圖6為近年來(lái)金屬粉末3D打印設(shè)備研發(fā)進(jìn)展情況,可以看到高功率能量源的研發(fā)不再是設(shè)備的主要關(guān)注點(diǎn),反而大尺寸成形件、高精度光斑、恒定能量源是未來(lái)3D打印設(shè)備的主要發(fā)展趨勢(shì)。

3、結(jié)語(yǔ)

粉末鈦合金3D打印技術(shù)作為一項(xiàng)新型的鈦合金制造技術(shù),適于制備高熔點(diǎn)、難變形、高活性的鈦合金近凈成形件,近年來(lái)迅速成為世界鈦合金制造業(yè)的研究熱點(diǎn)。目前,國(guó)內(nèi)粉末鈦合金3D打印技術(shù)尚處于初級(jí)商業(yè)化階段,未來(lái)亟待解決的問(wèn)題包括:(1)高品質(zhì)球形鈦合金粉末生產(chǎn)設(shè)備及工藝研發(fā),替代目前價(jià)格高昂的進(jìn)口鈦合金粉末;(2)建立3D打印鈦合金技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),包括標(biāo)準(zhǔn)顯微組織、熱處理工藝、熱等靜壓后處理等方面,充分發(fā)揮3D打印鈦合金的綜合性能;(3)完善鈦合金3D打印技術(shù)的成本核算體系,著力開(kāi)拓“投入-產(chǎn)出比”較高的領(lǐng)域;(4)進(jìn)一步研發(fā)高成形精度、低表面粗糙度、高成形效率的商業(yè)級(jí)金屬3D打印設(shè)備。未來(lái),隨著技術(shù)研究的不斷積累和商業(yè)模式的持續(xù)改善,粉末鈦合金3D打印技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用必將成為鈦合金制造業(yè)發(fā)展的重要推力和全新增長(zhǎng)點(diǎn)。

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tag標(biāo)簽:粉末鈦合金,鈦合金3D打印技術(shù)

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