航空航天應用中鈦合金的增材制造：工藝、顯微組織與力學性能

來源：長三角G60激光聯(lián)盟

印度阿姆利塔大學機械工程系、韓國科學技術院（KAIST）核能與量子工程系及捷克俄斯特拉發(fā)技術大學（VŠB）機械工程學院的科研人員綜述報道了航空航天應用中鈦合金的增材制造：工藝、顯微組織與力學性能的研究進展。相關論文以“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：
1.深入了解鈦合金增材制造技術及其相較于傳統(tǒng)制造優(yōu)勢。
2.鈦粉末的結構、尺寸與分布會影響增材制造過程中的顯微組織演變。
3.精確控制工藝參數可調控顯微組織來獲得理想性能。
4.航空航天應用中鈦合金的性能-顯微組織關系受工藝參數影響顯著。

鈦合金增材制造在航空航天部件方面的進展變革了航空航天領域，引入了新的制造技術，并在設計靈活性、縮短交付周期和成本效益方面帶來特殊優(yōu)勢。鈦合金在輕量化應用中具有優(yōu)異的力學性能，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，以及復雜結構制造困難。金屬增材制造已成為制造飛機部件的更佳選擇，它具有更好的買飛比，且能以經濟的方式實現(xiàn)適當的材料利用率。以往關于鈦合金增材制造的研究主要集中在克服這些限制，使鈦合金能高效應用于復雜的航空航天部件。
本研究旨在綜述增材制造，探索工藝參數與顯微組織變化及力學性能之間的復雜關系。其中包括工藝參數對增材制造部件的疲勞性能、拉伸強度、殘余應力、耐腐蝕性和顯微組織演變的影響。將第四次工業(yè)革命（4IR）與增材制造相結合，如智能制造、數字孿生和自動化流程，可提高鈦合金部件的效率和質量。這種實施方式能夠根據航空航天行業(yè)的要求和規(guī)格進行定制化設計、顯微組織調控、力學性能優(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域已取得重大進展，但要充分發(fā)揮其潛力仍需進一步研究。本綜述強調了通過工藝控制和材料性能的進步，提供輕量化、高性能部件，從而變革航空航天領域的潛力，以及在航空航天應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)鈦條制成的飛機艙門衡時鐘彈簧，(e)B-777發(fā)動機的β-21s鈦制尾塞，(f)由γ合金制成的GEnx發(fā)動機低壓渦輪（LPT）轉子葉片，(g)GEnx發(fā)動機LPT轉子葉片所用圓盤的特寫，(h)鈦制燃氣渦輪葉片，(i)通過粉末床增材制造工藝制造的各種復雜結構的零件，(j)鈦制飛機側板，(k)鈦制飛機發(fā)動機前框架。

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)金相平面掃描技術及參考；(b)縱向表面的光學顯微照片，橫向表面的光學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。虛線對應鍛造合金的性能。

圖10.樣品的力學特性如下：(a)工程應力-應變曲線。(b)真實應力-應變圖及代表性應變硬化率曲線。(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.各種鈦基合金的應力-應變曲線；(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合激光沖擊強化（LPBF LSPwC）試樣。

增材制造因其在生產輕質、經濟高效且功能強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。該技術能夠高精度地制造形狀和尺寸復雜的結構，同時減少浪費并縮短生產時間，因此對航空航天應用具有重要意義。鈦合金憑借其出色的強度重量比、耐腐蝕性、高溫性能和抗疲勞性，在這一領域發(fā)揮著關鍵作用。這些材料廣泛應用于各種航空航天部件，如機身結構、內部設備、飛機起落架、前軸承座、壓縮機、渦輪葉片、導葉、圓盤、液壓管道以及發(fā)動機風扇葉片。鈦材制造高度復雜且功能強大零部件的能力，使其在航空航天應用中既高效又耐用。

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，更適合制造尺寸較小、具有中空無支撐結構且尺寸精度高、表面光潔度好的復雜零件。這些特性對于航空航天應用至關重要，因為在該領域，表面完整性和精度是關鍵。PBF技術能夠制造高度復雜的晶格設計，減少材料浪費，并更好地控制工藝參數，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，更適合制造尺寸較大、復雜程度較低的零件，或用于修復昂貴的高價值部件。DED技術能夠在特定區(qū)域沉積材料，以及組裝或修復昂貴的航空部件，如修復渦輪葉片或關鍵部件的磨損部位，使其在可持續(xù)的航空航天作業(yè)中發(fā)揮重要作用。

盡管增材制造技術潛力巨大，但零部件必須經過一些后處理和優(yōu)化技術，如熱處理和表面精加工，以確保其力學性能和安全性，特別是為了解決零部件的殘余應力、孔隙率和各向異性問題。然而，增材制造技術在航空航天工業(yè)中的實際應用已通過空客（Airbus）和波音（Boeing）等領先制造商的采用得以體現(xiàn)。這些企業(yè)已在各種部件中應用增材制造技術，如鉸鏈支架、輕質渦輪罩門鉸鏈和燃燒室的結構護套。這些應用凸顯了該技術在生產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在關鍵航空航天部件中的應用范圍。

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