摘要：印度阿姆利塔大学机械工程系、韩国科学技术院（KAIST）核能与量子工程系及捷克俄斯特拉发技术大学（VŠB）机械工程学院的科研人员综述报道了航空航天应用中钛合金的增材制造：工艺、显微组织与力学性能的研究进展。相关论文以“Additive manufacturin

长三角G60激光联盟导读

印度阿姆利塔大学机械工程系、韩国科学技术院（KAIST）核能与量子工程系及捷克俄斯特拉发技术大学（VŠB）机械工程学院的科研人员综述报道了航空航天应用中钛合金的增材制造：工艺、显微组织与力学性能的研究进展。相关论文以“Additive manufacturing of Titanium alloy for aerospace applications: Insights into the process, microstructure, and mechanical properties”为题发表在《Applied Materials Today》上。

重点：

1.深入了解钛合金增材制造技术及其相较于传统制造优势。

2.钛粉末的结构、尺寸与分布会影响增材制造过程中的显微组织演变。

3.精确控制工艺参数可调控显微组织来获得理想性能。

4.航空航天应用中钛合金的性能-显微组织关系受工艺参数影响显著。

钛合金增材制造在航空航天部件方面的进展变革了航空航天领域，引入了新的制造技术，并在设计灵活性、缩短交付周期和成本效益方面带来特殊优势。钛合金在轻量化应用中具有优异的力学性能，但在传统制造过程中材料利用率方面不高。用于航空航天应用的钛合金传统加工面临重大挑战，例如加工过程中的刀具磨损、较高的买飞比，以及复杂结构制造困难。金属增材制造已成为制造飞机部件的更佳选择，它具有更好的买飞比，且能以经济的方式实现适当的材料利用率。以往关于钛合金增材制造的研究主要集中在克服这些限制，使钛合金能高效应用于复杂的航空航天部件。

本研究旨在综述增材制造，探索工艺参数与显微组织变化及力学性能之间的复杂关系。其中包括工艺参数对增材制造部件的疲劳性能、拉伸强度、残余应力、耐腐蚀性和显微组织演变的影响。将第四次工业革命（4IR）与增材制造相结合，如智能制造、数字孪生和自动化流程，可提高钛合金部件的效率和质量。这种实施方式能够根据航空航天行业的要求和规格进行定制化设计、显微组织调控、力学性能优化以及快速原型制作。尽管增材制造钛合金在航空航天领域已取得重大进展，但要充分发挥其潜力仍需进一步研究。本综述强调了通过工艺控制和材料性能的进步，提供轻量化、高性能部件，从而变革航空航天领域的潜力，以及在航空航天应用中充分利用增材制造钛合金的可能性。

关键词：增材制造；钛合金；材料效率；力学性能

图1.(a)通过电子束粉末床熔融（EB-PBF）工艺制造的Ti-6Al-4V支架，(b)通过激光粉末床熔融（L-PBF）工艺制造的多孔Ti-6Al-4V，(c)通过EB-PBF工艺制造的Ti-6Al-4V气门摇臂，(d)钛条制成的飞机舱门衡时钟弹簧，(e)B-777发动机的β-21s钛制尾塞，(f)由γ合金制成的GEnx发动机低压涡轮（LPT）转子叶片，(g)GEnx发动机LPT转子叶片所用圆盘的特写，(h)钛制燃气涡轮叶片，(i)通过粉末床增材制造工艺制造的各种复杂结构的零件，(j)钛制飞机侧板，(k)钛制飞机发动机前框架。

图2.(a)激光粉末床熔融（L-PBF）、(b)电子束粉末床熔融（EB-PBF）、(c)直接能量沉积（DED）、(d)丝材电弧增材制造（WAAM）、(e)粘结剂喷射增材制造（BIJM）的示意图。

图3.激光工程化净成形（LENS）制造的Ti-6Al-4V显微照片 (a)低功率（LP）制造(b)高功率（HP）制造(c)低功率制造的Ti-6Al-4V针状α’相 (d)高功率制造的Ti-6Al-4V α’和α相混合物 (e)铣削退火后的基体。

图4.不同位置的WAAM制造的Ti-6Al-4V显微照片。

图5.锻造（a,b）和L-PBF制造（c, d）的Ti-6Al-4V棒材纵向的光学和扫描电镜（SEM）图。

图6.锻造（a）和L-PBF制造（b）的Ti-6Al-4V棒材横向的显微照片。

图7.a)金相平面扫描技术及参考；(b)纵向表面的光学显微照片，横向表面的光学和扫描电镜显微照片分别如（c）和（d）所示。

图8.打印态的相组成和样品显微组织分析：(a)差示扫描量热法（DSC）曲线(b)相组成X射线衍射（XRD）图谱。(c-e)背散射电子图像。(c)S1′的等轴α晶粒(d)S2′的针状α晶粒(e) S3′在β晶粒间细化的针状晶粒(f-g) S2（f）和S3（g）的扫描透射电子显微镜（STEM）图像，展示了晶界的连续宽度。

图9.不同尺寸、取向和制造方法的Ti6Al4V样品的拉伸性能。虚线对应锻造合金的性能。

图10.样品的力学特性如下：(a)工程应力-应变曲线。(b)真实应力-应变图及代表性应变硬化率曲线。(c)S1韧性断口呈现大尺寸韧窝。(d)S2韧性断口显示少量微小韧窝。(e)S3断口由光滑解理面和微小韧窝组成。(f-h)拉伸。

图11.各种钛基合金的应力-应变曲线；(a)不同成型高度下电子束粉末床熔融（EB-PBF）制造的Ti6Al4V，(b) 准静态条件下Ti-5553和Ti-55,511的拉伸性能，(c)TC11-1.0Nd与三个纯TC11试样的对比，(d)粘结剂喷射3D打印的Ti6Al4V样品，(e)激光粉末床熔融（LPBF）和激光粉末床熔融结合激光冲击强化（LPBF LSPwC）试样。

增材制造因其在生产轻质、经济高效且功能强大的零部件方面需求不断增长，已成为航空航天零部件制造的创新技术。该技术能够高精度地制造形状和尺寸复杂的结构，同时减少浪费并缩短生产时间，因此对航空航天应用具有重要意义。钛合金凭借其出色的强度重量比、耐腐蚀性、高温性能和抗疲劳性，在这一领域发挥着关键作用。这些材料广泛应用于各种航空航天部件，如机身结构、内部设备、飞机起落架、前轴承座、压缩机、涡轮叶片、导叶、圆盘、液压管道以及发动机风扇叶片。钛材制造高度复杂且功能强大零部件的能力，使其在航空航天应用中既高效又耐用。

激光粉末床熔融（L-PBF）和电子束粉末床熔融（EB-PBF）等粉末床熔融（PBF）技术，更适合制造尺寸较小、具有中空无支撑结构且尺寸精度高、表面光洁度好的复杂零件。这些特性对于航空航天应用至关重要，因为在该领域，表面完整性和精度是关键。PBF技术能够制造高度复杂的晶格设计，减少材料浪费，并更好地控制工艺参数，从而提升零件性能。激光工程化净成形（LENS）和直接金属沉积（DMD）等直接能量沉积（DED）技术，更适合制造尺寸较大、复杂程度较低的零件，或用于修复昂贵的高价值部件。DED技术能够在特定区域沉积材料，以及组装或修复昂贵的航空部件，如修复涡轮叶片或关键部件的磨损部位，使其在可持续的航空航天作业中发挥重要作用。

尽管增材制造技术潜力巨大，但零部件必须经过一些后处理和优化技术，如热处理和表面精加工，以确保其力学性能和安全性，特别是为了解决零部件的残余应力、孔隙率和各向异性问题。然而，增材制造技术在航空航天工业中的实际应用已通过空客（Airbus）和波音（Boeing）等领先制造商的采用得以体现。这些企业已在各种部件中应用增材制造技术，如铰链支架、轻质涡轮罩门铰链和燃烧室的结构护套。这些应用凸显了该技术在生产高精度航空航天部件方面的有效性。

考虑到目前钛合金增材制造在航空航天工业中的作用，该技术在材料性能、表面完整性和工艺优化方面仍有提升空间。这将拓宽增材制造技术在关键航空航天部件中的应用范围。

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长三角G60激光联盟陈长军转载

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来源：江苏激光联盟