钛合金激光增材制造技术研究与应用进展.pdf
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1、阐述了钛合金激光选区熔化、钛合金激光熔粉沉积和钛合金激光熔丝沉积增材制造技术的原理及特点,并对钛合金激光增材制造技术的国内外应用现状进行了总结。分析表明,激光选区熔化技术、激光熔粉沉积技术和激光熔丝沉积技术是目前具有代表性且应用最广泛的三种钛合金激光增材制造技术,其中激光选区熔化技术和激光熔粉沉积技术均有很多典型产品已经获得商业应用,而激光熔丝沉积技术尚处于实验室向工程化应用过渡阶段。最后,对钛合金激光增材制造技术的发展方向进行了展望。关键词:钛合金;增材制造;激光;应用中图分类号:TG146.23 文献标识码:A DOI:10.19291/ki.1001-3938.2023.08.002Re
2、search and Application Progress of Titanium Alloy Laser Additive Manufacturing TechnologyFU Chengxue,LEI Xiaowei,JIA Xiaofei,ZHANG Wenhao,FAN Jinwei,WANG Weichao,CUI Yongjie(Luoyang Ship Material Research Institute,Luoyang 471023,Henan,China)Abstract:The principles and characteristics of titanium al
3、loy laser selective melting,titanium alloy laser powder deposition,and titanium alloy laser wire deposition additive manufacturing technology were elaborated.The application status of titanium alloy laser additive manufacturing technology at home and abroad was summarized.Analysis shows that laser s
4、elective melting technology,laser powder deposition technology,and laser melt deposition technology are three representative and most widely used titanium alloy laser additive manufacturing technologies.Many typical products of laser selective melting technology and laser melt deposition technology
5、have been commercially applied,and laser melt deposition technology is still in the transition stage from laboratory to engineering application.Finally,the development direction of titanium alloy laser additive manufacturing technology was prospected.Key words:titanium alloy;additive manufacturing;l
6、aser;application0前 言增材制造(additive manufacturing)又称 3D打印技术,是基于“离散/堆积成型”的思想,采用分层堆积成型的方法加工实体零件的快速成型技术。由于增材制造是采用原材料逐层熔化和堆积的方式进行零件加工,因此可以实现传统制造技术无法完成的复杂结构件的制造,同时具有消耗原材料少、制造效率高等优点1-2。激光增材制造技术,是一种利用激光作为热源,熔化原材料进行增材制造的先进制造技术。由于激光的能量密度高,可以精确控制加热面积,因此激光增材制造适用于难熔金属及复杂、精密且力学性能要求较高零件的制造3。*基金项目:国防基础科研计划(项目编号JCKY2
7、021206B039)。112023年 第 46 卷焊 管钛及钛合金比强度高,耐腐蚀性好,具有良好的综合力学性能,但熔点较高,易氧化,对加工过程提出了更高的要求。采用激光增材制造技术,可以制造出结构复杂、尺寸精度高、力学性能好的钛合金零件,在航空航天、医疗、模具、电力电子、汽车、船舶领域有着广泛的应用前景,是国内外各研究机构关注的焦点4-5。本研究介绍了最具代表性的三种钛合金激光增材制造技术的原理、特点和国内外研究现状,并对其发展进行了展望,以期推动钛合金激光增材制造技术的发展。1钛合金激光增材制造技术原理及特点按照热源类型、原材料类型以及冶金过程的差异,钛合金激光增材制造可分为激光粉末选区成
8、型和激光同步材料送进成型两大类,按照具体成型机理又细分为多种类型。本研究结合钛合金增材过程的特点,重点介绍钛合金激光选区熔化、钛合金激光熔粉沉积和钛合金激光熔丝沉积三种增材技术的原理及特点。其中,选区激光熔化和激光熔粉沉积发展较早,相关研究较多,属于较为成熟的钛合金增材制造工艺,而激光熔丝沉积属于较先进的增材工艺,其工程化应用还有待工艺的进一步优化和完善。1.1钛合金粉末激光选区熔化技术钛合金粉末激光选区熔化(SLM)技术,是目前主流且最为成熟的钛合金激光增材制造技术,其基本原理及典型产品(TRUMPF 公司生产)如图 16所示。其工作原理为:根据设计要求,利用计算机构造所需零件的三维模型;根
9、据零件的结构,选择合适的方向,将三维模型分割成若干薄层;在成型室内预制一定厚度的钛合金粉末,并用刮板刮平;一定功率激光束以一定的速度沿薄层的轮廓线照射,使金属粉末熔化后重新凝固;在熔化后的金属上重新铺粉,重复步骤3和步骤4直至零件加工完成。由于钛合金高温时易氧化,而SLM增材制造过程中有真空室或气氛仓的保护,保护效果较好,同时可采用精密的振镜镜头配合三维机床,成型精度较高。钛合金粉末SLM技术是最早研究的钛合金增材制造技术,也是目前最成熟的增材制造技术,其制造精度和复杂性是所有钛合金增材制造技术中最高的,能够轻松打印镂空型的复杂结构。钛合金粉末SLM增材制造技术可以直接获得零件所需尺寸,凝固冷
10、却速度极快,组织细小,力学性能优异,可以实现任何传统工艺都无法实现的超复杂结构。但由于采用先铺粉再熔化的沉积方式,打印工件受设备(尤其是粉床)尺寸影响,目前只能生产尺寸约500 mm级别的产品。此外,受打印粉末造价的限制,打印成本较高,仅适用于小尺寸、高精度、超复杂结构件的整体打印或完成现有零件的轻量化设计。1.2钛合金激光熔粉沉积技术钛合金激光熔粉沉积(LMD)技术,是利用激光束的能量将同步送进的钛合金粉末熔化沉积的增材制造工艺。其工作原理图和典型产品(TRUMPF公司生产)如图27所示。与SLM技术类似,也需要先对零件进行建模和切片,将每层的截面信息转化为扫描路径,激光束沿生成的路径照射并
11、形成熔池的同时,将金属粉末送入熔池内熔化后快速冷却凝固。逐层重复上述动作,直至完成零件的制造。图1SLM技术原理及典型产品 12第8期符成学等:钛合金激光增材制造技术研究与应用进展HAN GUAN LMD技术的优点在于其突破了SLM技术制造尺寸的限制,理论上大型机床能够加工的尺寸,均可实现该尺寸的LMD技术制造。对于氧化性不敏感的材质,可不用氩气仓保护,但对于钛合金等易氧化的金属需要氩气仓进行保护。LMD技术成形精度相对模锻较高,凝固冷却速度快,组织细小,力学性能优异,成形尺寸理论上没有限制。相比传统加工技术,其优点在于无需大型锻造装备和大型锻压模具,便可柔性、快速加工大型复杂整体构件;可以在
12、原有锻铸件上成形耳片、接头等异形结构,通过混合制造方法降低成本,实现复杂结构制造。但与SLM技术类似,由于金属粉末价格昂贵和增材效率较低,影响了其推广和应用。再者,目前市场上尚没有完善的钛合金各型牌号粉末,定制粉末成本极高,尚不能开展成体系的相关应用。1.2钛合金激光熔丝沉积技术钛合金激光熔丝沉积技术的工作原理和LMD技术类似,主要是将送入熔池的材料由粉末材料换成丝材,同时激光熔丝沉积技术按丝材送进的方式又可分为同轴和旁轴两种。其中,旁轴熔丝增材制造的平台易于搭建,但熔敷过程受送丝方向性的限制,因此旁轴熔丝增材制造的试件不能满足熔敷层尺寸和性能各方向的一致性,且对光丝的相对位置要求严格,成形过
13、程控制更为复杂,其工作原理和激光熔丝焊接相似,如图38-9所示。激光同轴熔丝沉积技术由于丝材由激光中心送入,克服了旁轴熔丝的上述问题,其难点在于激光焊枪的设计和制造涵盖光路、气路、送丝、冷却等多种集成耦合,制造难度大。因此,该技术正处于实验室阶段到市场化的拓展阶段,属于较先进的增材制造技术。图410显示了激光同轴熔丝沉积技术的工作原理和设备实物。与SLM和LMD技术相比,钛合金激光熔丝沉积技术送料过程易于控制,且精度较高,适用于自动化生产;不受粉末牌号的限制,且成本较低,对熔敷位置的适应性更高;丝材熔敷效率远高于粉末,且对环境的影响较小。钛合金激光熔丝沉积技术制造的零件质量比SLM技术稍低,与
14、LMD技术相当,特别适合船舶、车辆、能源等行业的图2LMD技术原理及典型产品图3旁轴激光熔丝沉积技术原理及设备 132023年 第 46 卷焊 管产品尺寸较大、增材品质较高、精度适中、且生产周期较短的产品制造。钛合金激光熔丝沉积技术尤其适合首件产品验证、局部修复、带筋产品减重等方向的应用,同时可代替疲劳性能要求较高的焊接结构产品,使用场合广泛,效益可观。2钛合金激光增材制造技术国内外现状钛合金SLM技术、LMD技术和激光熔丝沉积技术,是目前金属增材制造技术中最具有代表性且应用最广泛的技术。除了激光熔丝沉积技术起步较晚,其他两种技术均经历了萌芽期、发展期和成熟期,很多典型产品已经获得商业应用,而
15、激光熔丝沉积技术尚处于实验室向工程化应用过渡的阶段,一些典型的结构件已被制造出来。2.1钛合金SLM技术发展现状目前,欧美等发达国家在SLM设备的研发及商业化进程上处于领先地位。1995年,德国研究机构Fraunhofer提出SLM技术,并于2002年研制成功。德国MCPHEK公司于2003年底生产出第一台SLM机器,利用该机器加工的工件致密度达100%,可直接应用于工业领域。德国EOS公司是目前全球最大、技术最为领先的激光粉末熔化增材制造成形系统的制造商,2016年EOS推出了EOS M4004型大尺寸多光束选区熔化增材设备。该设备安装了四激光系统,激光器功率为400 W,有独立的250 m
16、m250 mm构建区域,区域之间有 50 mm50 mm重叠,将成形效率提升了4倍。2014年,德国Concept Laser公司推出X系列机型1000R,成形尺寸为 630 mm400 mm500 mm;2015 年该公司又推出了 X line 2000R 型多光束3D打印设备,最大打印尺寸为800 mm400 mm500 mm,采用双激光系统,每个激光器的功率高达1 000 W。GE收购的Concept Laser和Arcam、进入到PBF领域的德国通快、德马吉森精机等公司均推出了商业版的SLM设备。图5是典型商业应用级别的SLM打印产品(EOS公司产品)。图4同轴激光熔丝沉积技术原理及设
17、备图5SLM技术制造的典型产品 14第8期符成学等:钛合金激光增材制造技术研究与应用进展HAN GUAN SLM技术打印的产品,组织性能比锻件差,但比铸件好,在航空航天(GE发动机部件)、生物医学(人造关节、牙齿等)领域已获得广泛应用,更典型的产品是美国空军利用该技术制造F-22战机钛合金支架。该技术已经克服了组织性能、复杂结构打印等技术难题,未来发展方向是大型化和高效化11。2.2钛合金LMD技术发展现状LMD 技术起步较 SLM 技术晚,美国率先进行该技术实用化研究,有关大型 LMD 增材制造技术研究也主要集中在美国。1995 年至2005 年间,在美国国防部先进研究计划署及海军研究办公室
18、等部门的资助下,美国约翰哈普金斯大学、宾夕法尼亚州立大学及 MTS公司等对飞机钛合金结构件 LMD 技术进行大量研究并取得重大进展。在此基础上,1998年 MTS 公司独资成立从事飞机钛合金结构件LMD 技术研发和工程化应用的 AeroMet 公司,与波音、洛克希德马丁以及诺斯罗普格鲁曼美国三大军用飞机制造商合作,在美国空军“锻造计划”(Air Force s Forging Initiative)、陆军制造技术计划(Army s Mantech Program)、国防部“军 民 两 用 科 技 计 划”(Dual Use Science and Technology Program)等资助下
19、,致力于飞机钛合金结构件激光快速成形技术研究及其在飞机上应用的关键技术研究。2000 年 9 月,在波音和洛克希德马丁公司完成了 LMD 制造钛合金全尺寸飞机机翼次承力结构件的研究,构件静强度及疲劳强度达到飞机设计要求;2001 年为波音公司 F/A-18E/F 舰载联合歼击/攻击机验证机小批量试制了发动机舱推力拉梁、机翼转动折叠接头、翼梁、带筋壁板等飞机钛合金次承力结构件,其中 F/A-l8E/F 翼根吊环满足疲劳寿命谱 4 倍要求,随后静力加载到 225%也未破坏;2002 年实现 LMD 制造的钛合金次承力结构件在 F/A-18 验证机上的装机应用。此外,美国还其将应用于 F-22钛合金
20、接头的制造,试验结果表明,其疲劳寿命高出原接头寿命的两倍。该技术还可广泛用于损伤零件的修复,包括飞机腐蚀零部件、航空发动机磨损等零件的修复。比如,美国 AeroMet 公司完成了 F15 战斗机中机翼梁的检修,美国 Optomec Design 公司进行了 T700美国海军飞机发动机零件的磨损修复,瑞士洛桑理工学院对单晶涡轮叶片进行了修复。然而,LMD 技术制造的钛合金主承力结构件的疲劳性能不及锻件,最终未能实现该技术在飞机大型构件上的应用。但是,具有低成本、短周期、高性能特点的 LMD 增材制造技术仍在美国航空航天、国防工业中发挥着重要的作用。另外,德国通快等公司也相继推出了LMD增材制造商
21、业化装备。我国LMD增材制造领域研究起步较早,技术研究及应用方面具有良好的基础,特别是在国家自然科学基金“重点项目”、国家“973”项目、国家“863”等重要研究计划重点支持下,增材制造技术得以快速发展。整个研究工作主要集中于北京航空航天大学、西北工业大学、北京有色金属研究总院、华中科技大学、清华大学等单位。国内LMD装备发展也比较迅速,以南京煜辰、北京隆源、铂力特、鑫精合等公司为代表的国内企业已经将装备产品制造尺寸扩大至35 m。图6为LMD技术在国产大飞机和某战斗机钛合金零部件上的应用12。图6LMD技术制造的典型产品 152023年 第 46 卷焊 管2.3钛合金激光熔丝沉积技术发展现状
22、目前,对钛合金激光熔丝沉积技术的研究主要集中在成形工艺探索和典型结构件性能验证方面,还没有实际工程化的应用。2.3.1钛合金激光旁轴熔丝沉积技术钛合金激光旁轴送丝沉积技术由于平台搭建相对容易,国内外多个机构均对其有所研究。英国曼彻斯特大学的Syed和华南理工大学孙进等研究了送丝方向和位置对成形质量、成形精度、沉积效率以及成形过程稳定性的影响,探索出较为稳定的熔丝沉积工艺,获得了成形良好的增材制造试样13-14。另外,德国EADS的Baufeld E和英国诺丁汉大学的Mok等研究了Ti-6Al-4V合金激光熔丝增材制造试样的显微组织和力学性能,图7给出了其单壁墙的成形和截面形貌,可以看出单壁墙成
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