BEAMIT開發(fā)3D打印輕質(zhì)鈦合金Ti6242工藝

導(dǎo)讀：由于理想的強(qiáng)度和重量特性，汽車和航空航天領(lǐng)域?qū)Ω邷剽伜辖鸬男枨笳�在增加。然而，工程重量比、�?fù)雜的結(jié)構(gòu)、工作溫度以及鈦零件的發(fā)展速度對(duì)傳統(tǒng)制造工藝提出了挑戰(zhàn)。因此，增材制造技術(shù)成了制造商突破這一挑戰(zhàn)的有力工具。

南極熊獲悉，位于意大利福爾諾沃·迪·塔羅（Fornovo di Taro）的BEAMIT集團(tuán)于2021年3月26日宣布已經(jīng)開發(fā)了鈦合金Ti6242的增材制造工藝。公司表示，Ti6242可用于制造賽車和航空應(yīng)用部件，且性能優(yōu)于傳統(tǒng)技術(shù)加工的合金。

△BEAMIT工廠-Rubbiano（PR）

BEAMIT的激光粉末床熔合（LPBF）3D打印工藝可以生產(chǎn)出具有與其他材料相似的抗拉強(qiáng)度和耐熱性水平的組件，但是它們的重量要輕得多。據(jù)公司稱，新開發(fā)的工藝還可以通過廢物預(yù)防和粉末回收來獲得可持續(xù)性收益。盡管賽車領(lǐng)域可使用其他材料達(dá)到與Ti6242相似的拉伸強(qiáng)度，但重量要大得多。Ti6242可替代鎳超合金制造的零件，例如排氣裝置和超音速飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)材料，減輕重量的同時(shí)又不損失強(qiáng)度。

△BEAMIT集團(tuán)總經(jīng)理Andrea Scanavini

3D打印Ti6242

Ti6242具有輕質(zhì)、高拉伸強(qiáng)度的特性，能夠承受高達(dá)550°C的溫度，可以打印復(fù)雜的形狀。BEAMIT從2019年開始開發(fā)適用于LPBF加工的Ti6242增材制造工藝。Ti6242具有抗高溫能力，能夠生產(chǎn)輕質(zhì)組件而又不影響抗拉強(qiáng)度。這使合金成為賽車和航空航天領(lǐng)域中輕量化和高性能組件的理想選擇。BEAMIT團(tuán)隊(duì)著手通過LPBF工藝優(yōu)化Ti6242在高溫下的機(jī)械性能，從而實(shí)現(xiàn)了高達(dá)1kMPa的拉伸強(qiáng)度和4.5 g /cm3的密度。

△Ti6242顯微組織

BEAMIT集團(tuán)材料與特殊工藝經(jīng)理Alessandro Rizzi表示這種材料非常適合激光粉末床熔合（LPBF），但真正的重點(diǎn)是熱處理。研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了不同的真空循環(huán)以優(yōu)化在室溫和高溫下的機(jī)械性能，并開發(fā)了集成的高壓熱處理工藝。Ti6242合金在高達(dá)550°C的溫度下具有超過600 MPa的高強(qiáng)度重量比，這使材料成為高機(jī)械強(qiáng)度和輕量化應(yīng)用的絕佳選擇，可替代鋼和鎳超合金。

△極限拉伸強(qiáng)度（UTS）與溫度關(guān)系

經(jīng)過BEAMIT團(tuán)隊(duì)測試比較3D打印Ti6242與常規(guī)方法（例如鍛造）生產(chǎn)的Ti6242和另一種高性能鈦合金IMI834零件的機(jī)械性能，3D打印組件的性能要優(yōu)于傳統(tǒng)鍛造組件。通過LPBF生產(chǎn)的Ti6242經(jīng)過固溶熱處理（高于β-轉(zhuǎn)變溫度）和老化，在室溫以及300°C、550°C和750°C下拉伸試驗(yàn)表征。（注意：這些合金通常用于最高550°C的應(yīng)用；已進(jìn)行750°C測試以探究在高于正常工作溫度下的性能）。

△屈服強(qiáng)度（YS）與溫度關(guān)系

圖表顯示，AM制造的Ti6242（紅色）在極限拉伸強(qiáng)度（UTS）和屈服強(qiáng)度（YS）方面的機(jī)械強(qiáng)度可以媲美傳統(tǒng)技術(shù)（鍛造）生產(chǎn)的Ti6242和IMI834（高溫下性能最高的鈦合金之一）。Ti6242（AM）的延展性由斷裂伸長率（ε）值確定。

△斷裂伸長率（ε）與溫度關(guān)系

據(jù)BEAMIT稱，這項(xiàng)工藝鞏固了增材制造在汽車和航空航天等行業(yè)的作用。公司還稱這項(xiàng)技術(shù)還能通過僅使用必要的材料與回收剩余粉末實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性，減少浪費(fèi)。

3D打印鈦合金的應(yīng)用

在汽車方面，豪華車制造商布加迪已在部分車輛中使用了3D打印鈦金屬零件以減輕重量并提高零件的耐高溫性，包括Chiron Pur Sport車型的排氣尾管、鈦合金制動(dòng)鉗和Bolide超級(jí)跑車的鈦合金前翼支架。

△布加迪跑車尾氣管，使用EOS M400多激光金屬3D打印機(jī)生產(chǎn)

同時(shí)，汽車改裝專家1016 Industries已將鈦和碳纖維3D打印融合在一起。將3D打印的性能部件集成到邁凱倫720S跑車的超輕量版本中。得益于這項(xiàng)技術(shù)，特別版車型的重量比原始車型輕了近9％。

△華曙高科FS271M金屬激光燒結(jié)系統(tǒng)，圖片來自華曙高科

航空航天領(lǐng)域的3D打印鈦材料開發(fā)也取得了重大進(jìn)展。例如，SLM和SLS 3D打印機(jī)制造商華曙高科宣布，他們的客戶航天海鷹(哈爾濱)鈦業(yè)有限公司開發(fā)了一種新的高溫鈦材料TA32，專門用于FS271M 3D打印系統(tǒng)。合金零件可承受最高550攝氏度的工作溫度，并且在高溫下具有出色的拉伸強(qiáng)度、柔韌性和可塑性。

△2016年在猶他州希爾空軍基地的基地維修期間，新的金屬3D打印零件將替換F-22戰(zhàn)斗機(jī)零件。新鈦金屬零件不會(huì)腐蝕，比傳統(tǒng)制造零件采購速度更快、成本更低。美國空軍R. Nial Bradshaw攝。

在國外，美國航空航天制造商Spirit AeroSystems先前已在波音787的前機(jī)身上安裝了3D打印鈦制結(jié)構(gòu)部件，而美國空軍的希爾空軍基地也已經(jīng)成功地將3D打印鈦合金支架并入了由航空航天和國防承包商洛克希德·馬丁公司（LockheedMartin）制造的F-22戰(zhàn)斗機(jī)。

△從2017年開始， RPD床就為波音787 Dreamliner生產(chǎn)鈦部件。照片通過Norsk Titanium

BEAMIT集團(tuán)

BEAMIT集團(tuán)總部位于Fornovo di Taro（帕爾馬），在金屬粉末增材制造（AM）領(lǐng)域已經(jīng)運(yùn)營了24年。擁有48個(gè)增材制造系統(tǒng)，分布在帕爾馬和雷焦艾米利亞地區(qū)的5個(gè)設(shè)施中，擁有100多名員工，是歐洲最大的3D打印中心。BEAMIT集團(tuán)專門為航空航天、汽車、能源、賽車和工業(yè)工程等苛刻行業(yè)提供高端金屬增材制造組件，并擁有許多相關(guān)質(zhì)量認(rèn)證，包括航空航天用AS/ EN 9100：2018、NADCAP批準(zhǔn)（國家航空航天和國防承包商）認(rèn)證計(jì)劃）和IATF Automotive。高科技工程和金屬粉末領(lǐng)域全球領(lǐng)導(dǎo)者山特維克集團(tuán)，擁有廣泛的AM合金以及金屬3D打印方面卓越的專業(yè)知識(shí)，并在2019年獲得了BEAMIT的大量股份。2020年，BEAMIT收購了PRES-X的大量股份。PRES-X是3D打印特殊后處理領(lǐng)域的一家創(chuàng)新型初創(chuàng)企業(yè)。然后，它收購了AM服務(wù)局ZARE的100％股份，使歐洲的兩家領(lǐng)先公司能夠聯(lián)合起來，創(chuàng)建最大的全球增材制造集團(tuán)，為最苛刻的行業(yè)提供服務(wù)。

參考閱讀：

1. BEAMIT develops additive manufacturing process forTitanium Ti6242: a breakthrough for sustainable industrial production.
2. BEAMIT develops 3D printing process for Ti6242 forlightweight automotive and aerospace parts
3. BEAMIT Develops 3D Printing Process for Strong,Lightweight Titanium Alloy Ti6242
4. 售價(jià)330萬美元的布加迪，使用3D打印鈦合金排氣管
5. 4000萬元的布加迪裝3D打印鈦合金制動(dòng)鉗
6. ENHANCED MCLAREN 720S BLENDS CARBON FIBER BODY WITHTITANIUM 3D PRINTING
7. 可承受550℃工作溫度，航天海鷹使用華曙設(shè)備開發(fā)出3D打印TA32鈦粉
8. SPIRIT AEROSYSTEMS RECEIVES FIRST NORSK TITANIUM 3DPRINTED PART
9. F-22 RAPTOR FITTED WITH 3D PRINTED TITANIUM PART