航空航天應(yīng)用中鈦合金的增材制造：工藝、顯微組織與力學(xué)性能

來源：長三角G60激光聯(lián)盟

印度阿姆利塔大學(xué)機(jī)械工程系、韓國科學(xué)技術(shù)院（KAIST）核能與量子工程系及捷克俄斯特拉發(fā)技術(shù)大學(xué)（VŠB）機(jī)械工程學(xué)院的科研人員綜述報道了航空航天應(yīng)用中鈦合金的增材制造：工藝、顯微組織與力學(xué)性能的研究進(jìn)展。相關(guān)論文以“Additive manufacturing of Titanium alloy for aerospace applications: Insights into the process, microstructure, and mechanical properties”為題發(fā)表在《Applied Materials Today》上。

重點(diǎn)：
1.深入了解鈦合金增材制造技術(shù)及其相較于傳統(tǒng)制造優(yōu)勢。
2.鈦粉末的結(jié)構(gòu)、尺寸與分布會影響增材制造過程中的顯微組織演變。
3.精確控制工藝參數(shù)可調(diào)控顯微組織來獲得理想性能。
4.航空航天應(yīng)用中鈦合金的性能-顯微組織關(guān)系受工藝參數(shù)影響顯著。

鈦合金增材制造在航空航天部件方面的進(jìn)展變革了航空航天領(lǐng)域，引入了新的制造技術(shù)，并在設(shè)計靈活性、縮短交付周期和成本效益方面帶來特殊優(yōu)勢。鈦合金在輕量化應(yīng)用中具有優(yōu)異的力學(xué)性能，但在傳統(tǒng)制造過程中材料利用率方面不高。用于航空航天應(yīng)用的鈦合金傳統(tǒng)加工面臨重大挑戰(zhàn)，例如加工過程中的刀具磨損、較高的買飛比，以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造困難。金屬增材制造已成為制造飛機(jī)部件的更佳選擇，它具有更好的買飛比，且能以經(jīng)濟(jì)的方式實現(xiàn)適當(dāng)?shù)牟牧侠�用率。以往關(guān)于鈦合金增材制造的研究主要集中在克服這些限制，使鈦合金能高效應(yīng)用于復(fù)雜的航空航天部件。
本研究旨在綜述增材制造，探索工藝參數(shù)與顯微組織變化及力學(xué)性能之間的復(fù)雜關(guān)系。其中包括工藝參數(shù)對增材制造部件的疲勞性能、拉伸強(qiáng)度、殘余應(yīng)力、耐腐蝕性和顯微組織演變的影響。將第四次工業(yè)革命（4IR）與增材制造相結(jié)合，如智能制造、數(shù)字孿生和自動化流程，可提高鈦合金部件的效率和質(zhì)量。這種實施方式能夠根據(jù)航空航天行業(yè)的要求和規(guī)格進(jìn)行定制化設(shè)計、顯微組織調(diào)控、力學(xué)性能優(yōu)化以及快速原型制作。盡管增材制造鈦合金在航空航天領(lǐng)域已取得重大進(jìn)展，但要充分發(fā)揮其潛力仍需進(jìn)一步研究。本綜述強(qiáng)調(diào)了通過工藝控制和材料性能的進(jìn)步，提供輕量化、高性能部件，從而變革航空航天領(lǐng)域的潛力，以及在航空航天應(yīng)用中充分利用增材制造鈦合金的可能性。

圖1.(a)通過電子束粉末床熔融（EB-PBF）工藝制造的Ti-6Al-4V支架，(b)通過激光粉末床熔融（L-PBF）工藝制造的多孔Ti-6Al-4V，(c)通過EB-PBF工藝制造的Ti-6Al-4V氣門搖臂，(d)鈦條制成的飛機(jī)艙門衡時鐘彈簧，(e)B-777發(fā)動機(jī)的β-21s鈦制尾塞，(f)由γ合金制成的GEnx發(fā)動機(jī)低壓渦輪（LPT）轉(zhuǎn)子葉片，(g)GEnx發(fā)動機(jī)LPT轉(zhuǎn)子葉片所用圓盤的特寫，(h)鈦制燃?xì)鉁u輪葉片，(i)通過粉末床增材制造工藝制造的各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件，(j)鈦制飛機(jī)側(cè)板，(k)鈦制飛機(jī)發(fā)動機(jī)前框架。

圖2.(a)激光粉末床熔融（L-PBF）、(b)電子束粉末床熔融（EB-PBF）、(c)直接能量沉積（DED）、(d)絲材電弧增材制造（WAAM）、(e)粘結(jié)劑噴射增材制造（BIJM）的示意圖。

圖3.激光工程化凈成形（LENS）制造的Ti-6Al-4V顯微照片 (a)低功率（LP）制造(b)高功率（HP）制造(c)低功率制造的Ti-6Al-4V針狀α’相 (d)高功率制造的Ti-6Al-4V α’和α相混合物 (e)銑削退火后的基體。

圖4.不同位置的WAAM制造的Ti-6Al-4V顯微照片。

圖5.鍛造（a,b）和L-PBF制造（c, d）的Ti-6Al-4V棒材縱向的光學(xué)和掃描電鏡（SEM）圖。

圖6.鍛造（a）和L-PBF制造（b）的Ti-6Al-4V棒材橫向的顯微照片。

圖7.a)金相平面掃描技術(shù)及參考；(b)縱向表面的光學(xué)顯微照片，橫向表面的光學(xué)和掃描電鏡顯微照片分別如（c）和（d）所示。

圖8.打印態(tài)的相組成和樣品顯微組織分析：(a)差示掃描量熱法（DSC）曲線(b)相組成X射線衍射（XRD）圖譜。(c-e)背散射電子圖像。(c)S1′的等軸α晶粒(d)S2′的針狀α晶粒(e) S3′在β晶粒間細(xì)化的針狀晶粒(f-g) S2（f）和S3（g）的掃描透射電子顯微鏡（STEM）圖像，展示了晶界的連續(xù)寬度。

圖9.不同尺寸、取向和制造方法的Ti6Al4V樣品的拉伸性能。虛線對應(yīng)鍛造合金的性能。

圖10.樣品的力學(xué)特性如下：(a)工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(b)真實應(yīng)力-應(yīng)變圖及代表性應(yīng)變硬化率曲線。(c)S1韌性斷口呈現(xiàn)大尺寸韌窩。(d)S2韌性斷口顯示少量微小韌窩。(e)S3斷口由光滑解理面和微小韌窩組成。(f-h)拉伸。

圖11.各種鈦基合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(a)不同成型高度下電子束粉末床熔融（EB-PBF）制造的Ti6Al4V，(b) 準(zhǔn)靜態(tài)條件下Ti-5553和Ti-55,511的拉伸性能，(c)TC11-1.0Nd與三個純TC11試樣的對比，(d)粘結(jié)劑噴射3D打印的Ti6Al4V樣品，(e)激光粉末床熔融（LPBF）和激光粉末床熔融結(jié)合激光沖擊強(qiáng)化（LPBF LSPwC）試樣。

增材制造因其在生產(chǎn)輕質(zhì)、經(jīng)濟(jì)高效且功能強(qiáng)大的零部件方面需求不斷增長，已成為航空航天零部件制造的創(chuàng)新技術(shù)。該技術(shù)能夠高精度地制造形狀和尺寸復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，同時減少浪費(fèi)并縮短生產(chǎn)時間，因此對航空航天應(yīng)用具有重要意義。鈦合金憑借其出色的強(qiáng)度重量比、耐腐蝕性、高溫性能和抗疲勞性，在這一領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用。這些材料廣泛應(yīng)用于各種航空航天部件，如機(jī)身結(jié)構(gòu)、內(nèi)部設(shè)備、飛機(jī)起落架、前軸承座、壓縮機(jī)、渦輪葉片、導(dǎo)葉、圓盤、液壓管道以及發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉片。鈦材制造高度復(fù)雜且功能強(qiáng)大零部件的能力，使其在航空航天應(yīng)用中既高效又耐用。

激光粉末床熔融（L-PBF）和電子束粉末床熔融（EB-PBF）等粉末床熔融（PBF）技術(shù)，更適合制造尺寸較小、具有中空無支撐結(jié)構(gòu)且尺寸精度高、表面光潔度好的復(fù)雜零件。這些特性對于航空航天應(yīng)用至關(guān)重要，因為在該領(lǐng)域，表面完整性和精度是關(guān)鍵。PBF技術(shù)能夠制造高度復(fù)雜的晶格設(shè)計，減少材料浪費(fèi)，并更好地控制工藝參數(shù)，從而提升零件性能。激光工程化凈成形（LENS）和直接金屬沉積（DMD）等直接能量沉積（DED）技術(shù)，更適合制造尺寸較大、復(fù)雜程度較低的零件，或用于修復(fù)昂貴的高價值部件。DED技術(shù)能夠在特定區(qū)域沉積材料，以及組裝或修復(fù)昂貴的航空部件，如修復(fù)渦輪葉片或關(guān)鍵部件的磨損部位，使其在可持續(xù)的航空航天作業(yè)中發(fā)揮重要作用。

盡管增材制造技術(shù)潛力巨大，但零部件必須經(jīng)過一些后處理和優(yōu)化技術(shù)，如熱處理和表面精加工，以確保其力學(xué)性能和安全性，特別是為了解決零部件的殘余應(yīng)力、孔隙率和各向異性問題。然而，增材制造技術(shù)在航空航天工業(yè)中的實際應(yīng)用已通過空客（Airbus）和波音（Boeing）等領(lǐng)先制造商的采用得以體現(xiàn)。這些企業(yè)已在各種部件中應(yīng)用增材制造技術(shù)，如鉸鏈支架、輕質(zhì)渦輪罩門鉸鏈和燃燒室的結(jié)構(gòu)護(hù)套。這些應(yīng)用凸顯了該技術(shù)在生產(chǎn)高精度航空航天部件方面的有效性。
考慮到目前鈦合金增材制造在航空航天工業(yè)中的作用，該技術(shù)在材料性能、表面完整性和工藝優(yōu)化方面仍有提升空間。這將拓寬增材制造技術(shù)在關(guān)鍵航空航天部件中的應(yīng)用范圍。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.apmt.2024.102481