鈦合金增材制造技術(shù)的探索與實踐

鈦合金增材制造技術(shù)的探索與實踐摘要：近年來，增材制造技術(shù)越來越受到重視。增材制造技術(shù)從20世紀(jì)90年代開始出現(xiàn)，其發(fā)展的基礎(chǔ)是高能量熱熔覆技術(shù)和快速原型技術(shù)，與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，不用經(jīng)過各種刀具的切割和多種繁雜工序的加工，大大縮減了加工時間，同時對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，其加工過程和制造精度更高。目前鈦合金產(chǎn)品已經(jīng)在多個領(lǐng)域得到應(yīng)用，這些產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、品種多、批量小且性能要求高，傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造技術(shù)無法滿足這些產(chǎn)品要求，而增材制造技術(shù)能夠滿足鈦合金產(chǎn)品制造技術(shù)和性能要求，因而得到廣泛應(yīng)用。本文就鈦合金增材制造技術(shù)展開探討。關(guān)鍵詞：鈦合金；增材制造技術(shù)；應(yīng)用引言增材制造技術(shù)的快速發(fā)展，為鈦合金的生產(chǎn)制造提供了新的方法，激光/電子束、熔焊和固態(tài)焊三種增材制造方法在鈦合金生產(chǎn)中得到了國內(nèi)學(xué)者的廣泛研究。研究表明，鈦合金采用增材技術(shù)可得到高質(zhì)量零件，但不同增材技術(shù)具有不同技術(shù)特征，實際應(yīng)用及未來發(fā)展中需要根據(jù)實際需求采用不同的增材方法。1鈦合金增材制造技術(shù)研究1.1電子束選區(qū)熔化成形技術(shù)電子束選區(qū)熔化成形技術(shù)是一種采用電子束做為熔融金屬粉末熱源的分層制造工藝。目前，Arcam公司的電子束熔融系統(tǒng)研究處于世界領(lǐng)先地位。電子束選區(qū)熔化成形技術(shù)與激光選區(qū)熔化成形技術(shù)非常相似，主要有以下幾方面差別。首先，在于熱源不同，電子束能量轉(zhuǎn)化效率高。與激光選區(qū)熔化成形技術(shù)相比，成形成本和效率要高；第二是真空室溫度和環(huán)境不同，電子束選區(qū)熔化成形工藝保持零件建造過程溫度在退火溫度條件下，防止應(yīng)力累加，降低殘余應(yīng)力，零件不需要后續(xù)的熱處理過程。而激光選區(qū)熔化成形工藝制造的零件具有各向異性微觀結(jié)構(gòu)，因此需要進(jìn)行后續(xù)的熱處理，以消除應(yīng)力。同時激光選區(qū)熔化成形工藝采用惰性氣體保護(hù)，而電子束選區(qū)熔化成形技術(shù)是在高真空環(huán)境下，更加純凈，成形零件性能更好。1.2激光金屬沉積（LMD）采用LMD技術(shù)進(jìn)行了Ti6Al4V/TiC的功能梯度材料（FGM）研究，根據(jù)早期經(jīng)驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行工藝優(yōu)化，獲得優(yōu)化后的功能梯度材料，對其組織、顯微硬度、耐磨性進(jìn)行表征。研究結(jié)果表明，采用優(yōu)化后工藝參數(shù)制造的功能梯度材料擁有更高的性能，硬度是基體硬度的4倍，高達(dá)1200HV。利用新型半導(dǎo)體激光器采用LMD技術(shù)進(jìn)行Ti6Al4V的增材制造試驗研究，LMD裝置是由6個200W半導(dǎo)體激光頭圓形環(huán)繞在進(jìn)給槍上，激光束直徑0.9mm，可以實現(xiàn)方向獨立的焊接工藝過程，顯微結(jié)構(gòu)無缺陷。研究結(jié)果表明，隨著層間停留時間的延長，冷卻時間增加，晶粒厚度降低，有助于提高材料的力學(xué)性能，采用LMD技術(shù)增材制造均能滿足鍛造Ti6Al4V所規(guī)定的最低屈服強度和抗拉強度要求。1.3電子束熔絲成形技術(shù)電子束熔絲成形技術(shù)在激光成形技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來，以高能量密度和高能量利用率的電子束作為加工熱源，當(dāng)高速電子轟擊金屬粉末時，其動能立即轉(zhuǎn)化成熱能，使材料快速完全融化并成形三維實體零件。與激光成形不同的是電子質(zhì)量遠(yuǎn)大于光子，相對于激光束電子束動能更大。當(dāng)高速電子束轟擊金屬粉末時，易出現(xiàn)吹粉現(xiàn)象，即預(yù)制松散粉末在電子束的作用下被推離原位置。吹粉現(xiàn)象會導(dǎo)致粉末在熔化前偏離原來位置，影響成形質(zhì)量。電子束熔絲成形技術(shù)采用絲材替代粉末為原材料避免了吹粉問題。該技術(shù)具有成形速度快、材料利用率高、無反射、能量轉(zhuǎn)化率高等特點，成形環(huán)境為真空，特別利于大中型鈦合金等高活性金屬零件的成型制造，但該技術(shù)精度較差，需要后續(xù)表面加工。2鈦合金增材制造的應(yīng)用2.1在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用增材制造技術(shù)最早于2001年開始應(yīng)用于美國的艦載殲擊機(jī)中，通過鈦合金增材制造技術(shù)生產(chǎn)出飛機(jī)的承力結(jié)構(gòu)件并應(yīng)用于航空生產(chǎn)。2011年英國的南安普頓大學(xué)通過增材制造技術(shù)生產(chǎn)出包括無人機(jī)的機(jī)翼、控制面板和艙門的整體框架。2012年之后，鈦合金增材制造技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用取得前所未有的發(fā)展，鈦合金零件不僅在飛機(jī)制造中得到廣泛的應(yīng)用，而且新型的鈦合金材料開始在火箭、航天飛機(jī)等航天設(shè)備中得到應(yīng)用，鈦合金增材制造技術(shù)生產(chǎn)的零件極大的減少了航天設(shè)備之間的焊縫數(shù)量，由于鈦合金的強度更高，使得航天設(shè)備的安全性大大提高。我國相關(guān)部門和科研院校也不斷的對鈦合金增材制造技術(shù)進(jìn)行研究，現(xiàn)在已經(jīng)在航空領(lǐng)域得到應(yīng)用。我國運用鈦合金增材制造技術(shù)生產(chǎn)的飛機(jī)機(jī)翼和主承力構(gòu)件達(dá)到了相應(yīng)的技術(shù)要求并應(yīng)用于飛機(jī)制造。2.2在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用由于生物材料結(jié)構(gòu)復(fù)雜、病人需求各異、無需大批量生產(chǎn)等因素，增材制造技術(shù)非常適合制造生物材料。鋅金屬具有良好的生物相容性，鋅-釹合金激光增材制造中的稀土釹既提高了鋅合金的致密度，致密化率達(dá)98.71%，成形質(zhì)量優(yōu)良，又提高了鋅合金的力學(xué)性能；此外，釹合金化抑制了促炎因子的釋放，從而使鋅-釹合金具有良好的抗炎活性，增材制造的鋅-釹合金可作為承重骨植入體內(nèi)，是一種很有前景的骨修復(fù)材料。增材制造孔隙結(jié)構(gòu)鈦合金結(jié)構(gòu)可植入人體充當(dāng)關(guān)節(jié)，當(dāng)植入體和人體骨骼間缺少體液，會發(fā)生干滑動摩擦，從而出現(xiàn)發(fā)炎、腫脹等現(xiàn)象。通過研究三角形、正方形和無序3種孔隙結(jié)構(gòu)的摩擦性能，發(fā)現(xiàn)三角形孔隙結(jié)構(gòu)位移矢量小于無序孔隙結(jié)構(gòu)，但其旋轉(zhuǎn)矢量和造成的簡諧振動頻率過高，摩擦力大于無序孔隙結(jié)構(gòu)；正方形孔隙結(jié)構(gòu)因結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最差，導(dǎo)致磨損量最大；在3種孔隙結(jié)構(gòu)中，無序孔隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的摩擦熱量最少，雖在摩擦力、散熱等方面強于三角形，但其磨損量大于三角孔隙結(jié)構(gòu)。金屬增材制造技術(shù)在口腔修復(fù)體制作中的應(yīng)用主要集中在金屬基底冠、可摘局部義齒的金屬支架和種植體。激光增材制造制作的鉆銘合金底冠金瓷結(jié)合力接近甚至超過傳統(tǒng)制作；由于激光增材制造冷卻速度快、結(jié)構(gòu)致密無缺陷，激光增材制造制作的鉆銘合金強度高于傳統(tǒng)鑄造；經(jīng)過恰當(dāng)?shù)挠嬎銠C(jī)輔助設(shè)計、參數(shù)設(shè)定，激光增材制造的鉆銘合金能達(dá)到良好的基牙密合性。激光增材制造的鉆銘合金可摘局部義齒金屬支架在合適度和功能上接近傳統(tǒng)支架，但微觀結(jié)構(gòu)上更加優(yōu)良。激光增材制造技術(shù)制作的鈦合金種植體支架由于快速冷卻及晶相組成等因素，擁有更高的致密度和硬度，結(jié)構(gòu)輕巧、生物相容性好。2.3在國防領(lǐng)域的應(yīng)用在國防武器生產(chǎn)的過程中，對武器的材料性能要求較高，零件的精密度也有較高的要求。美國海軍正在研究將增材制造技術(shù)設(shè)計到航空母艦上，將航母作為一個大型的武器生產(chǎn)工廠，根據(jù)需要和要求生產(chǎn)所需武器設(shè)備。同時美國的陸軍也在研發(fā)“移動零件醫(yī)院”實現(xiàn)武器零件的快速修復(fù)和快速生產(chǎn)，滿足戰(zhàn)場的需要。我國也正在加緊鈦合金增材制造技術(shù)在國防領(lǐng)域應(yīng)用的研究，實現(xiàn)武器生產(chǎn)的快速化和精密化，推動我國國防技術(shù)發(fā)展。結(jié)語隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，輕量化的設(shè)計成為結(jié)構(gòu)件的發(fā)展方向，對結(jié)構(gòu)件的性能和質(zhì)量要求變的越來越嚴(yán)格，鈦合金增材制造技術(shù)的迅速發(fā)展，可以進(jìn)一步擴(kuò)大鈦合金結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用范圍，提高鈦合金增材件的性能，增強結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。綜合國內(nèi)外所研究的鈦合金增材制造技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展方向，未來鈦合金增材制造技術(shù)注定將朝著綠色、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定、快速的方向發(fā)展。參考文獻(xiàn)鄧賢輝.鈦合金增材制造技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望[J].材料開發(fā)與應(yīng)用，2019（05）：113-120.趙劍峰.金屬增材制造技術(shù)[J].南京航空航天大學(xué)