增(zeng)材制造技术(shu)（AdditiveManufacturing，AM）又称3D打(da)印技术（3Dprinting），基(ji)于3D数字模(mo)型，通(tong)常(chang)以粉末(mo)状金属或(huo)塑(su)料等可黏合(he)材(cai)质(zhi)为(wei)原料(liao)，采用(yong)逐层叠(die)加的(de)形(xing)式完(wan)成(cheng)零(ling)件(jian)制(zhi)造，即(ji)“分层(ceng)制造，逐层(ceng)叠加(jia)”[1-5]。具有(you)精(jing)准度(du)高、设(she)计交(jiao)付周(zhou)期短(duan)、材料(liao)利(li)用率高、自(zi)动(dong)化(hua)程度高(gao)等(deng)特(te)点(dian)，适(shi)合复杂(za)件(jian)形状(zhuang)结(jie)构件成(cheng)形(xing)制造(zao)，是颠覆传(chuan)统制(zhi)造如(ru)铸(zhu)造、锻造、挤压(ya)、焊(han)接(jie)、车削等(deng)加(jia)工方(fang)式，实现(xian)生产制造自动化(hua)、智能化的新型(xing)制(zhi)造技术[6-8]。
钛合(he)金具(ju)有质(zhi)轻、比强(qiang)度高、硬(ying)度高(gao)、耐腐蚀(shi)性好(hao)、热膨胀系数小(xiao)、生(sheng)物相(xiang)容(rong)性好等(deng)优异性(xing)能(neng)，受(shou)到航空航天、船(chuan)舶制(zhi)造、汽车制(zhi)造、生物医(yi)疗等领域(yu)研究(jiu)者的(de)青睐(lai)[9-10]。以航空(kong)领(ling)域(yu)应(ying)用(yong)为(wei)例(li)，在美国(guo)第四代(dai)机(ji)F22中(zhong)，钛(tai)合金(jin)作为飞机发动机风扇(shan)、压气机轮(lun)盘和(he)叶片(pian)等(deng)结(jie)构(gou)材料，用量(liang)高(gao)达(da)41%，是(shi)名(ming)副其(qi)实的“太空金(jin)属(shu)”[11]。据(ju)不完(wan)全(quan)统计，以(yi)Ti6Al4V为代表(biao)的钛(tai)合金在(zai)金(jin)属3D打(da)印(yin)中(zhong)占比(bi)超过26%，每(mei)年(nian)仅(jin)生物(wu)医用(yong)植入(ru)体(ti)消(xiao)耗的(de)钛(tai)及钛(tai)合(he)金制(zhi)品(pin)即(ji)接(jie)近(jin)千(qian)吨[12-15]。
1、3D打印(yin)用钛合(he)金(jin)粉末(mo)性(xing)能要求
作(zuo)为(wei)钛(tai)合金(jin)3D打(da)印(yin)的关键性(xing)原(yuan)材(cai)料，高品(pin)质(zhi)钛(tai)合金(jin)粉末是(shi)保证钛(tai)合(he)金(jin)打(da)印(yin)件(jian)性能(neng)优良的(de)基础[16]。随(sui)着3D打(da)印技(ji)术(shu)的(de)不(bu)断(duan)发(fa)展，对(dui)钛合(he)金粉末粒度(du)、化学(xue)成(cheng)分(fen)、流(liu)动(dong)性、空心(xin)粉(fen)率、松(song)装(zhuang)密(mi)度等提(ti)出了相(xiang)对(dui)严(yan)苛(ke)的(de)要求。
1.1粉(fen)末粒(li)度(du)
粉(fen)末(mo)粒度，即(ji)粉(fen)末(mo)颗(ke)粒的(de)尺寸大小，是决定(ding)3D打印粉(fen)末层厚度(du)的最(zui)主要原因(yin)。打印时(shi)，粉(fen)末(mo)通(tong)过吸(xi)收能(neng)量(liang)发(fa)生熔(rong)化(hua)完(wan)成烧结(jie)成(cheng)形(xing)，细颗(ke)粒粉(fen)末拥有更大(da)的(de)比(bi)表(biao)面积(ji)，打(da)印时烧(shao)结(jie)驱动力更充足(zu)，成形(xing)质量(liang)更好(hao)。但细(xi)粉(fen)占(zhan)比过高(gao)时，容(rong)易在打(da)印(yin)过(guo)程(cheng)被能量(liang)束击溃，发生(sheng)“球(qiu)化(hua)现(xian)象”，影(ying)响下(xia)层(ceng)粉末的成(cheng)形(xing)质量。同时(shi)，细(xi)粒(li)度粉末(mo)更容易受(shou)到静(jing)电(dian)、分子(zi)引(yin)力等(deng)作(zuo)用发生团(tuan)聚(ju)结块(kuai)，影响粉(fen)末(mo)输(shu)送稳定(ding)性(xing)[17]。
粉末(mo)粒(li)度(du)过粗则容易导致粉(fen)层(ceng)过厚(hou)，进而发(fa)生打(da)印(yin)层(ceng)间(jian)融(rong)合(he)不佳(jia)现(xian)象(xiang)甚至(zhi)产(chan)生气(qi)孔(kong)。所(suo)以(yi)，将(jiang)粗细(xi)粉(fen)末颗粒按一(yi)定的比例(li)级(ji)配混(hun)合(he)，选择(ze)适宜(yi)的粒度区(qu)间(jian)进(jin)行(xing)打(da)印(yin)才能(neng)得到(dao)良好(hao)的成(cheng)形(xing)效果(guo)。根(gen)据(ju)金属(shu)3D打印能量源(yuan)的不(bu)同(tong)，粉(fen)末(mo)粒(li)度(du)一般(ban)有(you)不同(tong)的要求(qiu)。高品(pin)质(zhi)钛合金粉(fen)末(mo)3D打印(yin)应(ying)用(yong)一般(ban)集中(zhong)在选区激光熔(rong)覆(fu)技(ji)术(shu)，该工艺一般要求(qiu)粉末(mo)颗粒粒(li)度为(wei)10~53μm。其(qi)他(ta)类主(zhu)流的钛合金(jin)3D打印(yin)要(yao)求为：电子(zi)束选(xuan)区熔化技术(shu)要求粉末粒度(du)为(wei)45～106μm，激(ji)光(guang)同轴(zhou)送(song)粉技(ji)术要求粉(fen)末(mo)粒度(du)为75～250μm。
1.2化(hua)学(xue)成(cheng)分(fen)
3D打印(yin)用(yong)钛(tai)合(he)金粉末(mo)的化学成(cheng)分(fen)除(chu)主元素(su)Ti、Al、V、Mo、Zr等(deng)外(wai)，一(yi)般还(hai)包括杂质(zhi)元(yuan)素(su)Fe、Si、C、N、H、O等[18]。杂质(zhi)元(yuan)素来源包括(kuo)原材料如(ru)海(hai)绵钛(tai)、中间合(he)金及(ji)粉(fen)末生(sheng)产(chan)过程(cheng)，环境引(yin)入的(de)SiO2、Al2O3、硅酸盐等非金(jin)属(shu)及(ji)陶(tao)瓷夹杂，以(yi)及粉末(mo)产(chan)品生(sheng)产(chan)及(ji)后(hou)处(chu)理(li)、运输(shu)、贮(zhu)存(cun)等(deng)过程(cheng)表(biao)面(mian)接触吸(xi)附(fu)的(de)氧(yang)、氮及水蒸气(qi)等。
金属粉(fen)末(mo)的纯净度(du)直(zhi)接(jie)影(ying)响到(dao)3D打印的(de)成(cheng)形质量(liang)，通(tong)常杂质(zhi)元(yuan)素会在打印(yin)过(guo)程(cheng)与(yu)钛(tai)合金(jin)发(fa)生(sheng)反应，还可能引发(fa)熔化不均(jun)，形成制(zhi)件内部(bu)缺(que)陷(xian)。粉末(mo)中的(de)夹(jia)杂物会提高(gao)颗(ke)粒硬(ying)度(du)，降(jiang)低(di)粉(fen)末(mo)成(cheng)形性(xing)能(neng)，对(dui)材(cai)料(liao)韧性(xing)造成(cheng)不(bu)良(liang)影响(xiang)。O、N元素常作(zuo)为(wei)杂质(zhi)元素(su)被(bei)重(zhong)点控(kong)制(zhi)，由(you)于(yu)O元素(su)与(yu)钛(tai)亲和(he)力较高，在钛(tai)合金(jin)粉末(mo)打(da)印过程(cheng)中，容(rong)易受环境(jing)等(deng)因(yin)素影(ying)响不(bu)断(duan)发生增氧，导致打(da)印(yin)件塑(su)性降低(di)，发生开裂的(de)风(feng)险提(ti)高，所以氧元素(su)常(chang)被(bei)作(zuo)为(wei)杂质(zhi)元素进行严(yan)格控(kong)制(zhi)。含(han)氧量较(jiao)高(gao)时(shi)，还(hai)会降(jiang)低(di)润湿性(xing)甚至(zhi)发(fa)生球(qiu)化(hua)现(xian)象(xiang)，降低(di)制件(jian)的(de)致(zhi)密度和(he)成形质量(liang)。N元素一(yi)般作(zuo)为(wei)间隙(xi)元(yuan)素(su)存(cun)在(zai)钛(tai)合(he)金中(zhong)，适(shi)当(dang)提高N元素含量对制件强化效果(guo)明(ming)显。但(dan)高(gao)温(wen)下(xia)N与(yu)Ti会生成(cheng)脆(cui)而硬的TiN相(xiang)，使得制件(jian)塑(su)性劣(lie)化(hua)，所以(yi)打印(yin)过程需(xu)要严(yan)控(kong)氛(fen)围(wei)中(zhong)的杂(za)质(zhi)元素含量(liang)[19]。
1.3粉(fen)末(mo)流动(dong)性(xing)
粉末(mo)流动(dong)性(xing)直(zhi)接影(ying)响成形(xing)过程(cheng)中(zhong)铺粉(fen)均(jun)匀性及送粉过程(cheng)稳定(ding)性，具有高(gao)流(liu)动性(xing)的(de)粉末，材料利用率也更(geng)高(gao)。粉(fen)末流动(dong)性(xing)不佳时，容(rong)易造成(cheng)扫(sao)描(miao)区熔化量不(bu)均，影响(xiang)到成形件(jian)的内(nei)部(bu)结(jie)构(gou)及(ji)表(biao)面(mian)尺寸精度，一(yi)般粉(fen)末球形(xing)度(du)越(yue)高(gao)，则流动性越(yue)好(hao)，越(yue)利(li)于打印成形(xing)过(guo)程(cheng)铺(pu)粉(fen)或送(song)粉的(de)顺(shun)利(li)进(jin)行。粉末形(xing)貌是(shi)影响流(liu)动性的决(jue)定(ding)性因(yin)素(su)，且粉(fen)末形(xing)貌(mao)与制备(bei)方法(fa)密切(qie)相(xiang)关(guan)，传(chuan)统机(ji)械(xie)破(po)碎(sui)法所得(de)粉末多(duo)为(wei)不(bu)规则(ze)异形粉，电解(jie)法制备粉(fen)末(mo)多(duo)为(wei)树枝(zhi)状，而(er)雾(wu)化法制备(bei)粉末多为球(qiu)状(zhuang)或近(jin)球状[20]。
1.4空心(xin)粉(fen)率
空心(xin)粉率为(wei)打(da)印粉末中(zhong)的(de)空(kong)心粉(fen)颗(ke)粒(li)数量占(zhan)粉(fen)末(mo)颗粒总数量的(de)比例(li)，目(mu)前(qian)空(kong)心(xin)粉率检(jian)测方法(fa)主要(yao)包括金相(xiang)法及(ji)工(gong)业(ye)CT扫描法(fa)。空(kong)心粉是(shi)一(yi)种由(you)制(zhi)备(bei)工艺(yi)产生(sheng)的(de)气(qi)孔(kong)缺(que)陷(xian)，会(hui)导(dao)致零(ling)件致密(mi)性(xing)及烧(shao)结区(qu)结合强(qiang)度(du)降低，并(bing)最(zui)终影(ying)响(xiang)到产品(pin)的疲劳(lao)强(qiang)度(du)及使用(yong)寿命(ming)[21]。在(zai)制件打(da)印成形(xing)过程(cheng)中(zhong)，钛合(he)金(jin)粉末(mo)原(yuan)材料(liao)中(zhong)的(de)空心粉(fen)及(ji)内部(bu)裹(guo)挟(xie)的(de)氩(ya)气(qi)无(wu)法(fa)完(wan)全消除(chu)或逃逸，从(cong)而遗(yi)传(chuan)在(zai)其制(zhi)品内部(bu)，进(jin)而影响(xiang)其制品的(de)力(li)学性能，且(qie)该类缺陷即(ji)使(shi)通(tong)过(guo)热(re)等(deng)静(jing)压(ya)处(chu)理(li)也(ye)无(wu)法(fa)完全消除。
1.5松装(zhuang)密(mi)度(du)
粉(fen)末松装(zhuang)密度是指(zhi)粉(fen)末在自然状态(tai)下堆(dui)积时(shi)单(dan)位体积的(de)粉(fen)末质(zhi)量，一般(ban)作为(wei)参考(kao)值表(biao)征(zheng)粉(fen)末在补(bu)给(gei)过(guo)程中(zhong)的(de)堆(dui)垛(duo)密实程(cheng)度(du)，常(chang)通过(guo)漏(lou)斗(dou)法进(jin)行检测。提高(gao)粉末的松装密(mi)度，利于制(zhi)件(jian)致(zhi)密(mi)化、提高成(cheng)形质量(liang)和(he)结合(he)强度(du)，且增(zeng)大松装(zhuang)密度更(geng)利于粉(fen)末流动(dong)性(xing)提高。粉(fen)末粒(li)度、形(xing)貌(mao)、空(kong)心(xin)粉(fen)率(lv)、水(shui)含量等(deng)共(gong)同(tong)影(ying)响(xiang)粉末(mo)松(song)装密度，一般球(qiu)形度(du)更高(gao)的(de)粉末(mo)产(chan)品，自(zi)然(ran)堆垛(duo)时(shi)粉末间隙(xi)更小，松(song)装密(mi)度更高。此(ci)外(wai)，当(dang)期望(wang)制件获(huo)得较高(gao)致密度(du)时，应选用具(ju)备(bei)双峰(feng)分(fen)布(bu)特点(dian)的(de)粉末(mo)，这(zhe)是(shi)由于该类(lei)粉末粒(li)度(du)分(fen)布(bu)宽，粗细颗(ke)粒相互(hu)填(tian)充，提高(gao)了松装(zhuang)密度(du)从而提高(gao)致密(mi)度[22]。
2、3D打印(yin)用(yong)钛合(he)金(jin)粉末(mo)制备技(ji)术
近(jin)年(nian)来，随(sui)着3D打印(yin)技(ji)术(shu)的快速发(fa)展(zhan)，高(gao)球形(xing)度(du)、良好流动性(xing)、高纯(chun)净(jing)度、空(kong)心(xin)粉占比(bi)低等(deng)粉(fen)末特(te)性(xing)，成为钛(tai)及钛合金3D打印用(yong)粉末(mo)原材(cai)料的重(zhong)要技术指(zhi)标(biao)[23-24]。目前(qian)，3D打印(yin)领(ling)域(yu)中以Ti6Al4V为(wei)代(dai)表的钛合金粉(fen)末制(zhi)备技(ji)术，主要包括电极感应熔炼(lian)惰(duo)性气(qi)体雾(wu)化（EIGA）、等离(li)子(zi)旋(xuan)转电极(ji)离(li)心雾(wu)化(hua)制(zhi)粉(fen)（PREP）、等(deng)离子(zi)球(qiu)化(hua)制粉(fen)（PS）及等离(li)子雾化(hua)制粉（PA），其(qi)中，EIGA法及(ji)PREP法是目前3D打印(yin)领(ling)域高(gao)品质(zhi)钛(tai)合(he)金粉末(mo)工(gong)业(ye)化应用(yong)的最主(zhu)要(yao)制备方(fang)法[25-26]。
气(qi)雾化法(fa)制(zhi)粉(fen)采用高速(su)惰(duo)性(xing)气体冲(chong)击熔融(rong)金属(shu)液流，从(cong)而形(xing)成细(xi)小的金(jin)属液(ye)滴(di)并(bing)凝(ning)固成粉(fen)末(mo)颗粒(li)。早(zao)期(qi)气雾化法(fa)制(zhi)粉主要(yao)为(wei)真(zhen)空感(gan)应熔(rong)炼(lian)气雾化法(fa)（VIGA法(fa)），制粉(fen)时采用坩埚加热(re)金属原材(cai)料(liao)得到熔(rong)融(rong)液(ye)体(ti)，并(bing)以高(gao)速(su)惰性(xing)气(qi)流(liu)冲击坩(gan)埚(guo)底(di)部(bu)流出的(de)熔融(rong)金(jin)属液流(liu)，最终液流被冲(chong)击(ji)破(po)碎(sui)成细(xi)小(xiao)液滴(di)，并在表面(mian)分子(zi)张(zhang)力作用下(xia)冷凝球(qiu)化(hua)为(wei)固体颗粒。但(dan)因(yin)制粉过程容(rong)易(yi)受到(dao)熔炼(lian)坩(gan)埚(guo)污染，不(bu)适(shi)合(he)高活性(xing)、高(gao)纯(chun)净(jing)球形钛(tai)粉(fen)生产(chan)，钛合金粉(fen)末制备逐渐(jian)被(bei)无(wu)坩埚雾化技(ji)术(shu)替(ti)代[27]。EIGA工(gong)艺为气雾(wu)化(hua)法制(zhi)备(bei)钛(tai)合金(jin)粉(fen)末的(de)典型代表(biao)，制粉时(shi)电极(ji)棒缓(huan)慢(man)旋转(zhuan)并逐(zhu)渐降低靠近(jin)环(huan)形(xing)感应(ying)线圈中(zhong)加(jia)热(re)熔化，熔滴落入气体(ti)雾(wu)化喷嘴系统(tong)，利(li)用(yong)高(gao)压惰性气(qi)体(ti)实现(xian)雾(wu)化。EIGA法(fa)制(zhi)粉(fen)时气流动能转换(huan)为熔(rong)融液(ye)滴的(de)表(biao)面(mian)能，液(ye)滴(di)在(zai)表面能的(de)驱动下(xia)球化成(cheng)粉末颗粒(li)。
PREP制(zhi)粉技(ji)术则是(shi)棒(bang)料经(jing)高速旋(xuan)转的传(chuan)动(dong)轴(zhou)带动(dong)，形成较(jiao)大(da)的(de)离心力，同(tong)时棒料一端在高温电弧(hu)作(zuo)用下熔(rong)化形成熔融金属液(ye)膜(mo)，液膜(mo)边缘在(zai)离(li)心(xin)力的(de)作(zuo)用(yong)下(xia)沿切线方(fang)向上分(fen)散成小(xiao)液(ye)滴(di)，最(zui)终在(zai)表面(mian)张力作用(yong)下(xia)凝固(gu)球化成(cheng)粉末(mo)[28]。EIGA及PREP粉末(mo)制(zhi)备(bei)原(yuan)理(li)如(ru)图(tu)1及(ji)图(tu)2所(suo)示(shi)。
图(tu)3为(wei)EIGA及(ji)PREP法(fa)制备的(de)Ti6Al4V合金(jin)粉(fen)末(mo)SEM及金(jin)相(xiang)截(jie)面照(zhao)片，由图可知，EIGA粉(fen)中存在较多形(xing)状(zhuang)不(bu)规则的异(yi)形颗(ke)粒，且相互粘连(lian)的粉末占比较(jiao)高，大尺寸颗(ke)粒(li)表(biao)面粘(zhan)附(fu)有较(jiao)多(duo)卫星颗粒(li)，其金相(xiang)截(jie)面照(zhao)片(pian)表明，粉末中存在较多(duo)空心粉。PREP粉(fen)末则为良(liang)好(hao)球(qiu)形颗(ke)粒，粉(fen)末(mo)相(xiang)互(hu)独(du)立(li)且(qie)趋(qu)于(yu)完(wan)美球形，粉末(mo)表(biao)面光(guang)滑，其(qi)金(jin)相截(jie)面照片(pian)表(biao)明，粉末(mo)中(zhong)基(ji)本(ben)无空(kong)心(xin)粉(fen)颗粒(li)，致(zhi)密化(hua)度(du)较高(gao)。目(mu)前，PREP粉(fen)末被认为(wei)是(shi)3D打印用钛(tai)合金(jin)粉(fen)末(mo)的(de)最理(li)想(xiang)制备方(fang)法(fa)。目(mu)前(qian)，受限(xian)于制(zhi)粉(fen)设备转(zhuan)速(su)，PREP制粉(fen)时15~53μm段(duan)粉(fen)末(mo)成品率(lv)较(jiao)低(di)（一(yi)般不足(zu)30%），相比于(yu)EIGA法(fa)制(zhi)备(bei)粉末(mo)，成(cheng)本相对(dui)较高(gao)。
除EIGA粉(fen)及(ji)PREP粉外(wai)，适于3D打印技术应(ying)用(yong)的钛(tai)合金(jin)粉末(mo)制(zhi)备(bei)方(fang)法(fa)主(zhu)要包括PS及(ji)PA法(fa)[31-32]。
PS技(ji)术(shu)一般以(yi)非(fei)球形的氢(qing)化(hua)脱氢合(he)金钛(tai)合金粉(fen)末(mo)为原(yuan)料(liao)，经(jing)气流送(song)入(ru)等离(li)子火(huo)焰中融化(hua)成液滴(di)，在液滴(di)表面张(zhang)力(li)作用下凝(ning)固球化(hua)成(cheng)球形颗(ke)粒。一(yi)般情况(kuang)下，PS制粉(fen)一次球(qiu)化(hua)率(lv)接(jie)近(jin)80%，粉(fen)末颗(ke)粒需经过筛选及(ji)第二(er)次(ci)球化(hua)处理(li)，故(gu)而其(qi)O、N等(deng)气体(ti)元素增量(liang)问(wen)题通(tong)常(chang)难以解决(jue)，同(tong)时(shi)粉体(ti)存(cun)在(zai)一(yi)定(ding)的粘(zhan)连(lian)现(xian)象，粉(fen)体(ti)洁(jie)净度较(jiao)差(cha)。PA法一般以丝(si)材为(wei)原材(cai)料，丝材(cai)在(zai)等离子(zi)射流(liu)作用下熔化成(cheng)超细(xi)液(ye)滴，再(zai)进(jin)入(ru)雾(wu)化(hua)室中冷(leng)却凝固成(cheng)超细粉末，但(dan)由(you)于(yu)原材料(liao)为(wei)丝(si)材，所以(yi)提高了(le)加(jia)工(gong)成(cheng)本(ben)。PA法(fa)制粉技(ji)术(shu)由(you)加(jia)拿大AP&C公(gong)司(si)开(kai)发(fa)设(she)计，现AP&C已(yi)成(cheng)为世界(jie)上(shang)最大的3D打(da)印球形(xing)钛合(he)金粉(fen)末(mo)产地之一(yi)，其生(sheng)产粉(fen)末(mo)畅销全球。国(guo)内因(yin)受专(zhuan)利(li)封锁(suo)及(ji)技术垄(long)断，关于(yu)PA法制(zhi)粉鲜(xian)有报(bao)道，研究进(jin)展(zhan)相对(dui)缓慢(man)。PA法(fa)制备(bei)粉(fen)末是(shi)仅次(ci)于PREP粉末(mo)球形度最(zui)好的(de)粉末(mo)，其(qi)SEM照(zhao)片表(biao)明，粉末基本(ben)为良好球形，表(biao)面光(guang)滑，仅(jin)有(you)极(ji)少(shao)数(shu)卫星粘连(lian)。PS及PA法(fa)制备Ti6Al4V粉(fen)末SEM照片(pian)如图(tu)4所(suo)示。
3、PREP与(yu)EIGA技术制(zhi)备(bei)粉(fen)末对比
3.1PREP法(fa)与(yu)EIGA法制(zhi)粉工艺技(ji)术对比
因(yin)EIGA制(zhi)粉(fen)技(ji)术及(ji)PREP制(zhi)粉技术在(zai)制备(bei)原(yuan)理上(shang)的(de)差(cha)异(yi)，制备的钛(tai)合(he)金(jin)粉(fen)末性(xing)能也存在较大(da)差异。比较(jiao)而(er)言，EIGA法(fa)成(cheng)本相对(dui)较(jiao)低，细粉收(shou)得(de)率高(gao)，但(dan)纯(chun)净度(du)较差(cha)。PREP粉(fen)末(mo)纯(chun)净度高(gao)、粒(li)度分(fen)布范(fan)围(wei)窄、球形度(du)高(gao)，流动性(xing)好，松装(zhuang)密(mi)度和振(zhen)实(shi)密度高(gao)，细(xi)粉收(shou)得率相(xiang)对(dui)较低。PREP法(fa)与(yu)EIGA法制粉(fen)工艺技(ji)术及粉末特性(xing)对比(bi)如表1所(suo)示。
研(yan)究表(biao)明，打(da)印件(jian)内(nei)部(bu)孔(kong)洞缺陷是试样(yang)裂(lie)纹(wen)萌生的主要(yao)形式之一，孔洞的(de)存(cun)在(zai)将(jiang)劣(lie)化打印件(jian)疲(pi)劳(lao)性能，成(cheng)为限(xian)制(zhi)航(hang)空航天、汽车等领域(yu)3D打印(yin)结(jie)构(gou)件开发和使用(yong)的(de)重(zhong)要(yao)因(yin)素(su)[33-34]。主(zhu)要原因为(wei)，原(yuan)始(shi)合金(jin)粉(fen)末中存在(zai)的空心粉(fen)，在(zai)3D打印(yin)熔化(hua)成形过程中(zhong)，粉(fen)末(mo)内部(bu)裹(guo)覆(fu)的氩(ya)气(qi)无法完全(quan)消(xiao)除(chu)或逃逸，从(cong)而(er)遗(yi)留(liu)在(zai)制(zhi)件内(nei)，打(da)印(yin)件(jian)在(zai)后(hou)期(qi)使(shi)用时，孔(kong)洞的(de)存(cun)在更容(rong)易所(suo)引起(qi)应力(li)集中，在经(jing)历一(yi)定次(ci)数(shu)循(xun)环(huan)应(ying)力后(hou)发(fa)生疲劳引(yin)发(fa)失效。目(mu)前阶(jie)段，对(dui)3D打印(yin)件进(jin)一(yi)步(bu)进行HIP处(chu)理，是(shi)提高(gao)材(cai)料(liao)力(li)学性能(neng)的有(you)效(xiao)和常用手(shou)段(duan)，如对(dui)Ti6Al4V打(da)印(yin)件(jian)在920℃、100MPa进行(xing)HIP处理(li)2h，打(da)印(yin)件(jian)力学(xue)性能达(da)到并部(bu)分(fen)超(chao)过(guo)锻件(jian)水平(ping)[35-37]。有文(wen)献(xian)指出，HIP处(chu)理后(hou)材料(liao)疲劳(lao)性能提(ti)高(gao)，但(dan)经HIP处(chu)理闭(bi)合的孔(kong)洞(dong)数(shu)量有限(xian)，且(qie)孔隙网(wang)一定(ding)程度(du)上促进(jin)了(le)裂纹扩(kuo)展(zhan)[37]。
因此，原(yuan)始(shi)粉(fen)末(mo)的性(xing)能(neng)在一(yi)定程度(du)上影响(xiang)或决定(ding)了(le)其3D打(da)印(yin)制品的最终(zhong)性能。EIGA粉中空(kong)心粉较多，3D打(da)印(yin)后(hou)打印件中孔(kong)隙(xi)较多，进而(er)劣(lie)化制件力(li)学(xue)性能(neng)，而(er)PREP粉末中(zhong)基本(ben)无空心粉(fen)，打印(yin)件致(zhi)密度(du)良(liang)好，也一定程度从(cong)根源上解(jie)决(jue)孔洞(dong)引(yin)发的应(ying)力集(ji)中(zhong)和(he)失效(xiao)，图(tu)5为HIP后(hou)制件疲(pi)劳(lao)性能(neng)检测(ce)对比。
对(dui)EIGA粉及PREP制(zhi)备(bei)15~53μm及(ji)53~150μm粉末(mo)分(fen)别(bie)进(jin)行性(xing)能(neng)检(jian)测(ce)，其(qi)他性(xing)能(neng)检(jian)测(ce)结果对比如表(biao)2和表3所示。检测(ce)结果(guo)表(biao)明(ming)，EIGA粉末(mo)与(yu)PREP粉(fen)主要差异体(ti)现在流动(dong)性(xing)、空心(xin)粉率及O含量。
3.2PREP法与EIGA法(fa)粉末性能(neng)差异原(yuan)因(yin)分析
气(qi)雾化(hua)过(guo)程中，熔滴体(ti)积尺寸较(jiao)大(da)的(de)颗(ke)粒(li)，冷速(su)较(jiao)慢，在(zai)粉(fen)末(mo)凝(ning)固(gu)时，同(tong)时受(shou)到(dao)自身重力及(ji)雾(wu)化(hua)室内(nei)部(bu)气(qi)流(liu)冲(chong)击，飞(fei)行过(guo)程中(zhong)容易与已(yi)经(jing)冷却(que)凝固(gu)的(de)小(xiao)尺(chi)寸颗粒发(fa)生(sheng)碰(peng)撞(zhuang)，形成粘连或(huo)焊合现象(xiang)，粉末(mo)间(jian)局部粘附，形成(cheng)类(lei)似卫星状(zhuang)颗粒，故而粉(fen)体形(xing)貌(mao)较(jiao)差，卫(wei)星颗粒较多。同时(shi)，在气(qi)雾(wu)化制粉(fen)过(guo)程(cheng)中(zhong)，粉(fen)末颗粒的(de)成(cheng)形(xing)，依赖于高(gao)压气流对(dui)熔融(rong)金(jin)属(shu)的(de)破碎分(fen)散(san)，当(dang)液(ye)滴快速冷(leng)却(que)凝固时，会(hui)导致(zhi)进入熔融(rong)熔(rong)滴内(nei)部的(de)惰性(xing)气(qi)体无法(fa)逸出(chu)，形成(cheng)类(lei)似的包覆(fu)效(xiao)果(guo)，粉(fen)末(mo)最终冷却成(cheng)形后，滞(zhi)留与(yu)粉(fen)体(ti)芯部(bu)的(de)气体便以气孔(kong)的(de)形(xing)式(shi)滞(zhi)留于(yu)粉末中(zhong)
[39]。
PREP技术制粉过(guo)程中，熔(rong)融(rong)的金(jin)属液在(zai)传动轴轴带(dai)动(dong)下(xia)高速旋转(zhuan)，形(xing)成(cheng)较大(da)的(de)离(li)心(xin)力，棒(bang)料边(bian)缘(yuan)部(bu)位(wei)液(ye)滴(di)被甩出(chu)，形(xing)成细(xi)小(xiao)的熔(rong)滴。由(you)于表(biao)面张(zhang)力的作用(yong)，熔(rong)滴(di)在(zai)飞(fei)行(xing)过程(cheng)中(zhong)具有形成球(qiu)体的趋(qu)势，同(tong)时(shi)母(mu)合金棒(bang)熔(rong)池过(guo)热度(du)较高，金属(shu)液(ye)滴(di)球(qiu)化(hua)时间较(jiao)长，因而制(zhi)备的金属(shu)粉末(mo)球形度(du)较(jiao)高。
PREP技(ji)术(shu)制(zhi)粉过(guo)程中(zhong)，金属液滴主要依靠棒料(liao)离(li)心作(zuo)用形(xing)成(cheng)，并(bing)最终冷(leng)却成(cheng)粉(fen)末，氩气（Ar/He混合气体）只起到引弧(hu)和(he)制(zhi)粉(fen)过程气(qi)氛(fen)保(bao)护作(zuo)用，故基本不(bu)会在(zai)颗粒内(nei)部引入气(qi)体(ti)形成气孔。此外，制粉(fen)时(shi)棒(bang)料在(zai)等离子(zi)火(huo)炬作用(yong)下熔(rong)池温度极(ji)高(gao)，在高(gao)的(de)过(guo)热度(du)作(zuo)用下，即(ji)使(shi)气体进(jin)入(ru)液滴(di)，也有充(chong)分的时(shi)间(jian)在(zai)粉(fen)末冷却前逸(yi)出，故粉末(mo)致密度(du)高(gao)，基本(ben)无(wu)空(kong)心球颗(ke)粒[40]。
4、3D打(da)印(yin)钛(tai)合(he)金应(ying)用(yong)
20世(shi)纪50年(nian)代，Douglas公司(si)在DC-T机发动机(ji)吊舱(cang)及(ji)防火壁(bi)上首次使用钛合金(jin)，从此(ci)揭(jie)开(kai)钛材(cai)在航(hang)空航天(tian)领域应用(yong)的(de)序(xu)章(zhang)。如(ru)今，钛(tai)合(he)金应用(yong)已(yi)推(tui)广至(zhi)军用战斗机、轰(hong)炸(zha)机(ji)、运(yun)输机(ji)、无人(ren)机、客机及(ji)民(min)用(yong)飞(fei)机(ji)[41]。随(sui)着(zhe)我(wo)国航空(kong)航(hang)天(tian)事业(ye)的(de)飞(fei)速发(fa)展，结构材(cai)料(liao)的使(shi)用日(ri)益(yi)趋向于质轻、高强(qiang)、高韧(ren)，钛(tai)合(he)金(jin)的特(te)性(xing)基(ji)本为此量身(shen)定(ding)做(zuo)，其(qi)在(zai)发(fa)动(dong)机中的(de)应(ying)用(yong)推(tui)广已(yi)使(shi)航空(kong)发动机推(tui)重比(bi)提高得(de)到质(zhi)的飞(fei)跃[42]。
Ti6Al4V作(zuo)为钛(tai)合(he)金(jin)典型(xing)，被(bei)广泛(fan)用于(yu)航(hang)空发(fa)动机风扇(shan)、压(ya)气(qi)机(ji)叶(ye)盘、叶片打印(yin)制造(zao)[43-44]。近年(nian)来(lai)，随着我国(guo)科(ke)研(yan)工(gong)作(zuo)者(zhe)在耐(nai)热、阻(zu)燃及(ji)高强钛(tai)合(he)金等不(bu)断取得技(ji)术突破，已逐(zhu)步(bu)缩(suo)小(xiao)与欧美等工(gong)业强国(guo)差(cha)距，随着国产(chan)C919大(da)型(xing)客机(ji)2017年(nian)圆满(man)首(shou)飞(fei)，钛(tai)合(he)金用(yong)量(liang)占比已接(jie)近(jin)10%，其中，大尺(chi)寸(cun)双曲面(mian)框(kuang)、起落架(jia)主(zhu)承力(li)筒(tong)、机(ji)翼(yi)中(zhong)央翼缘(yuan)条等大(da)型(xing)结构(gou)件均为我(wo)国自(zi)主(zhu)研制(zhi)及打(da)印成形。以C919客(ke)机(ji)机翼中央(yang)翼(yi)缘条(tiao)为(wei)例(li)，采用(yong)钛合(he)金(jin)进行激(ji)光打(da)印成形，最大(da)尺寸为(wei)3070mm，最(zui)大(da)变(bian)形(xing)量小于0.8mm，重(zhong)196kg，相比(bi)于(yu)传(chuan)统(tong)加工(gong)工艺，研制(zhi)周期(qi)缩短了(le)2/3，成(cheng)本降(jiang)低了(le)50%左(zuo)右(you)[45-46]。钛合(he)金因密(mi)度(du)小(xiao)、比强度高(gao)、生(sheng)物(wu)相容(rong)性(xing)良(liang)好等特(te)点，一(yi)定(ding)程度上填补(bu)了(le)不(bu)锈(xiu)钢和(he)钴基合金(jin)作为(wei)外科植(zhi)入(ru)物的缺(que)陷，现(xian)已成(cheng)为中高(gao)端(duan)外科(ke)植入(ru)物(wu)的主(zhu)要原材料(liao)[47-48]。3D打印(yin)产品最突(tu)出(chu)的特点是(shi)精(jing)准、适于(yu)复杂(za)件(jian)成(cheng)形、个性化(hua)定(ding)制(zhi)，这与一(yi)些(xie)医(yi)疗器具用品精(jing)准(zhun)、复杂，甚(shen)至于(yu)一(yi)次(ci)性(xing)、量身(shen)定(ding)做的(de)要求不(bu)谋而合(he)，解(jie)决了早期患者(zhe)对(dui)植(zhi)入(ru)物“削(xue)足适(shi)履”式的(de)窘(jiong)境(jing)。随着3D打印(yin)技(ji)术的不断(duan)进步(bu)与(yu)发展，3D打(da)印钛合金(jin)已(yi)逐(zhu)渐得(de)到医患认可(ke)和(he)接受。国内(nei)关(guan)于(yu)钛(tai)合(he)金3D打(da)印颅(lu)骨、颌骨(gu)、股(gu)骨(gu)、髋关节(jie)、肩关节、肘(zhou)关节、血管(guan)支架等(deng)的(de)报道(dao)已(yi)现(xian)于(yu)较多文献中(zhong)[49-53]。因植入(ru)体与(yu)骨组(zu)织之间(jian)良(liang)好(hao)亲(qin)容，3D打(da)印多孔钛从从众(zhong)多(duo)材(cai)料中脱(tuo)颖(ying)而(er)出。相(xiang)比(bi)于(yu)致(zhi)密材(cai)料，多孔(kong)钛(tai)强(qiang)度(du)和弹(dan)性模(mo)量明显(xian)下(xia)降，并且(qie)其密(mi)度(du)、强度(du)、弹(dan)性(xing)模量(liang)等性能，可(ke)以通过调(diao)整乃至设计孔(kong)结构来达(da)到与(yu)骨(gu)组(zu)织(zhi)的(de)力学性(xing)能相(xiang)匹配(pei)的(de)水(shui)平(ping)空(kong)隙结构(gou)，引(yin)入对(dui)应力(li)冲(chong)击力起到良好的(de)缓(huan)冲和减(jian)震作(zuo)用，有效(xiao)解决(jue)应(ying)力(li)屏(ping)蔽(bi)作(zuo)用。其(qi)独特的多孔(kong)结构(gou)及粗糙(cao)的(de)内(nei)外表面(mian)有(you)利于成(cheng)骨(gu)细(xi)胞的茹(ru)附(fu)、增(zeng)殖(zhi)和(he)分化，促使新(xin)骨(gu)组织长入和(he)结(jie)合(he)。
舰船(chuan)领域(yu)如(ru)远洋油轮、远海(hai)军舰(jian)，随时面临恶劣(lie)天(tian)气(qi)、触礁等突(tu)发情(qing)况造成(cheng)的设(she)备故障(zhang)及(ji)零(ling)部件更(geng)换，常常(chang)耗(hao)费(fei)较(jiao)长(zhang)的(de)维(wei)修更(geng)换周(zhou)期(qi)，成本高(gao)风(feng)险(xian)大。采用(yong)3D打印(yin)技(ji)术可及时进行设计制造，解决(jue)船(chuan)舰(jian)必须(xu)靠(kao)港(gang)配件(jian)进行维修(xiu)的窘境，已(yi)有文(wen)献(xian)表(biao)明，Ti60、Ti2AlNb、Ti60-Ti2AlNb梯(ti)度材(cai)料，已(yi)被(bei)用于(yu)燃气(qi)轮(lun)机(ji)钛合金叶盘(pan)打印(yin)制造(zao)，在(zai)550～800℃使用温(wen)度范围(wei)内得以(yi)灵(ling)活选(xuan)择(ze)使(shi)用，在(zai)保证叶(ye)盘整体性(xing)能(neng)的(de)同(tong)时(shi)，达(da)到(dao)减重、降低(di)原料使用(yong)及制造(zao)成本。3D打(da)印(yin)技(ji)术(shu)可(ke)以精确(que)制备各种复(fu)杂造零件，并(bing)且可(ke)以(yi)最大(da)程(cheng)度(du)缩短制(zhi)造周期，实现汽(qi)车(che)轻(qing)量(liang)化(hua)设计制造(zao)。采(cai)用(yong)SLM技术(shu)，经拓扑优(you)化的(de)打(da)印(yin)的钛合金(jin)汽(qi)车车架零件(jian)减(jian)重(zhong)至(zhi)245g，净减质(zhi)量(liang)达(da)65%。对特(te)殊结(jie)构尺寸(cun)零件，可(ke)根据(ju)更(geng)换(huan)及维(wei)修需(xu)求，灵活设(she)计，实(shi)现最(zui)短作业(ye)周(zhou)期(qi)内(nei)完(wan)成(cheng)零件更换[54]。
5、结(jie)论与(yu)展望
钛及钛(tai)合金(jin)3D打印，以(yi)粉末为(wei)原料(liao)实现复(fu)杂零件自动(dong)化、智(zhi)能(neng)化(hua)制备(bei)，相比传(chuan)统(tong)铸造(zao)、锻(duan)造等(deng)工艺(yi)技术(shu)，在(zai)产(chan)品制(zhi)备(bei)灵活性、交(jiao)付周(zhou)期(qi)、加(jia)工精度及材料利(li)用(yong)率(lv)等方(fang)面具有显著的优势。EIGA粉末(mo)及PREP粉(fen)末(mo)作(zuo)为3D打印的(de)最常(chang)用粉(fen)末(mo)原(yuan)料(liao)，EIGA法成本相对较(jiao)低，细(xi)粉(fen)收(shou)得(de)率高，需解决粉(fen)末(mo)纯净度(du)不足(zu)、空心(xin)粉占(zhan)比(bi)较(jiao)高(gao)的问题；PREP粉末(mo)纯(chun)净度(du)高(gao)、球形(xing)度(du)高(gao)，流(liu)动(dong)性好(hao)，松(song)装密度(du)和(he)振(zhen)实(shi)密度高，需解(jie)决细(xi)粉收(shou)得(de)率不足的问题。经(jing)过(guo)多年探(tan)索发(fa)展(zhan)，我(wo)国钛(tai)合(he)金3D打印(yin)技术已成(cheng)功(gong)推(tui)广(guang)应(ying)用(yong)于航空(kong)航天、生(sheng)物医疗(liao)、船(chuan)舶、汽车(che)等领域(yu)，高性能复杂结(jie)构(gou)件(jian)打(da)印已(yi)取(qu)得骄(jiao)人(ren)的(de)成(cheng)绩(ji)，随(sui)着国(guo)内(nei)制(zhi)粉企业粉(fen)末制造(zao)技术(shu)经验(yan)不(bu)断(duan)积累(lei)，在批(pi)次稳定(ding)性控(kong)制、产(chan)品(pin)质量不(bu)断(duan)精(jing)益(yi)求(qiu)精(jing)，国产钛合金(jin)粉末(mo)实(shi)现低成本制造，逐步(bu)推入(ru)民(min)用(yong)市场(chang)成为(wei)可(ke)能，未来实现(xian)钛合金(jin)3D打印工业(ye)化(hua)生(sheng)产(chan)应用，将会(hui)是(shi)一(yi)项非(fei)常(chang)有(you)挑(tiao)战性的(de)事(shi)业(ye)，也必将对钛(tai)合金(jin)工业带来重大(da)变革和(he)洗礼(li)。未(wei)来，随着打(da)印件评(ping)价数(shu)据(ju)库及国家标(biao)准(zhun)及行(xing)业(ye)标(biao)准(zhun)体(ti)系逐步(bu)建立完善，新(xin)材(cai)料(liao)体系(xi)不断(duan)开发、打印(yin)过(guo)程(cheng)控(kong)制逐步(bu)优化(hua)，相信钛合(he)金(jin)3D打印终将成(cheng)为加(jia)工(gong)制(zhi)造(zao)领(ling)域的中(zhong)流(liu)砥(di)柱(zhu)，造(zao)福于(yu)民(min)。
参(can)考文(wen)献(xian)
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相(xiang)关链(lian)接(jie)
