选区激光(guang)熔化(hua)3D打(da)印钛合(he)金(jin)及其复(fu)合(he)材料研究(jiu)进(jin)展

选区激光熔(rong)化(hua)(Selective Laser Melting，SLM)3D 打(da)印(yin)技(ji)术(shu)，是(shi)在(zai)快(kuai)速原(yuan)型制(zhi)造和激光(guang)熔覆(fu)技(ji)术基础上(shang)发展(zhan)起(qi)来的(de)从(cong)三维数(shu)字模型(xing)概念设计(ji)到三(san)维(wei)实体(ti)柔性制造(zao)一(yi)体化的(de)先进制造技术，该技术(shu)基于“离(li)散(san) + 堆积(ji)”的(de)成形理念(nian)，在(zai)计(ji)算(suan)机(ji)的控制下，高能激(ji)光(guang)束按(an)照(zhao)分层(ceng)软件(jian)指定的路径逐层(ceng)熔(rong)化(hua)自(zi)动(dong)铺设的(de)粉末(mo)薄层，所得熔(rong)凝组(zu)织通过(guo)层层堆积(ji)并最(zui)终实(shi)现(xian)兼(jian)顾精确(que)成(cheng)形和高性(xing)能需(xu)求的(de)复杂构件(jian)的(de)快速、无(wu)模具(ju)、净(jing)成(cheng)形［1 － 4］。 与(yu)传(chuan)统制造(zao)工艺相比(bi)，SLM 3D 打(da)印(yin)技术(shu)具有零(ling)件(jian)开(kai)发周期(qi)短、加工(gong)精(jing)度高(gao)、致密(mi)度高(gao)、可(ke)成形(xing)任意形(xing)状(zhuang)复(fu)杂零件(jian)等特点，其应用(yong)范围已拓展到航(hang)空航天(tian)、国防和生物医(yi)疗等(deng)领(ling)域［5 － 7］。

钛合(he)金及(ji)其(qi)复合(he)材(cai)料(liao)因具(ju)有(you)比(bi)强度高、耐蚀性好、耐(nai)高(gao)温以及(ji)耐(nai)疲劳(lao)性能(neng)优异(yi)等特(te)点(dian)而广(guang)泛应(ying)用于航空(kong)航(hang)天(tian)和(he)国防领域(yu)，但(dan)在(zai)传统(tong)的(de)机械(xie)加(jia)工(gong)过(guo)程(cheng)中往(wang)往(wang)存在(zai)切(qie)削温(wen)度高、化学(xue)活(huo)性强、粘(zhan)刀(dao)现(xian)象严(yan)重等(deng)问题(ti)，尤其是通(tong)过(guo)切(qie)削加工完成复杂薄壁(bi)型腔(qiang)结(jie)构(gou)件非常(chang)困难。 而(er)近(jin)年来(lai)新(xin)型航(hang)空航(hang)天(tian)装备(bei)中使(shi)用的(de)钛合(he)金(jin)产品往(wang)往(wang)结(jie)构复(fu)杂、性(xing)能(neng)要(yao)求(qiu)高，且(qie)在(zai)设(she)计中更加注(zhu)重(zhong)采(cai)用(yong)精密(mi)复(fu)杂(za)整(zheng)体(ti)结(jie)构(gou)件，传统(tong)的铸造(zao)、锻造(zao)、焊(han)接和(he)机(ji)加工等工(gong)艺(yi)已难以满(man)足设计和制(zhi)造(zao)要求［8 － 11］，因此(ci)，能(neng)够实现(xian)多(duo)品(pin)种、小批量(liang)、净成形(xing)、设(she)计灵(ling)活(huo)和快速(su)响应等(deng)需(xu)求的(de) SLM 3D 打印(yin)技术(shu)在(zai)成(cheng)形基于钛(tai)合(he)金及(ji)其复(fu)合材料的复杂整(zheng)体(ti)构件方(fang)面具(ju)有(you)广(guang)阔的应用(yong)前景。

本文(wen)主要介绍(shao)选(xuan)区(qu)激光熔(rong)化 3D 打印技(ji)术(shu)以(yi)及(ji)近年(nian)来在钛(tai)合金及其(qi)复(fu)合(he)材料制备(bei)方(fang)面的(de)研究进(jin)展，分(fen)析(xi)评述(shu)了其(qi)组(zu)织(zhi)特(te)征和力(li)学(xue)性(xing)能(neng)及(ji)相(xiang)关(guan)工程(cheng)应用的(de)研(yan)究(jiu)进(jin)展情况，在此(ci)基础(chu)上(shang)，对未来的重(zhong)点学(xue)术(shu)与技术(shu)研究(jiu)问(wen)题进(jin)行了展(zhan)望(wang)。

1、SLM 3D 打印(yin)技术原理(li)与特(te)点

基于(yu)粉(fen)末(mo)完(wan)全熔(rong)化(hua)机制(zhi)的 SLM 3D 打印(yin)成(cheng)形(xing)思想(xiang)由德国(guo) Fraunhofer 研究所的(de)科(ke)研人(ren)员于 1995年(nian)首(shou)次(ci) 提(ti) 出(chu)［12］，该 技 术 继(ji) 承(cheng) 于(yu) 选(xuan) 区(qu) 激(ji) 光 烧 结(Selective Laser Sintering，SLS) 技 术(shu)，但(dan) 摒(bing) 弃 了(le)SLS 过程(cheng)中(zhong)由于(yu)粉(fen)末(mo)熔(rong)化(hua)不(bu)完全(quan)带(dai)来的(de)致密度较低(di)的问题。 随(sui)着先进高(gao)功率(lv)光(guang)纤(xian)激(ji)光(guang)器的发(fa)展以及铺(pu)粉精度不(bu)断提升(sheng)，尤(you)其(qi)是 2010 年(nian)前(qian)后部分金属(shu)材料(liao)获(huo)得了(le)近乎全(quan)致密的(de)激(ji)光成形构(gou)件(jian)［13 － 16］，SLM 技术(shu)得以快速发展。

图(tu) 1 为 SLM 3D 打印技术(shu)工作原(yuan)理示意图。

其主(zhu)要工(gong)作过程如下:首(shou)先(xian)将构件的三(san)维(wei)数(shu)模STL 文件(jian)进(jin)行切片分层(ceng)后(hou)导入到(dao) SLM 设(she)备(bei)的(de)计算(suan)机(ji)系(xi)统(tong)中，水(shui)平铺(pu)粉装置(zhi)在基板(ban)上(shang)铺上(shang)一层预先设(she)定厚度(du)(通(tong)常为(wei) 20 ～ 50 μm)的粉末(mo)，高(gao)能(neng)量密(mi)度的光(guang)纤激(ji)光(guang)束根(gen)据输入的当(dang)前(qian)层(ceng)轮廓信息(xi)沿(yan)着一(yi)定的扫(sao)描(miao)路径(jing)选(xuan)择(ze)性(xing)地(di)熔(rong)化(hua)粉末层，形(xing)成的(de)激(ji)光(guang)微熔池(chi)在激光束(shu)移开(kai)后温度快速下降(jiang)并(bing)凝(ning)固(gu)成(cheng)实体(ti)，这(zhe)样每(mei)扫(sao)描(miao)完一层，就(jiu)成(cheng)形出构(gou)件当(dang)前层(ceng)的轮廓(kuo)形(xing)状，而那些(xie)没(mei)有(you)被(bei)扫描(miao)过的(de)区(qu)域则(ze)仍然(ran)以(yi)原始(shi)粉(fen)末的(de)形(xing)式存(cun)在，并(bing)起到支撑(cheng)作(zuo)用(yong)，每(mei)当(dang)一个加(jia)工(gong)周期(qi)结(jie)束(shu)后(hou)，成(cheng)型室(shi)升降(jiang)系统下降(jiang)一个(ge)层(ceng)厚(hou)的(de)距(ju)离，然后(hou)铺粉工(gong)具(ju)在已(yi)成(cheng)形(xing)的层(ceng)面(mian)上(shang)再(zai)铺一(yi)层(ceng)粉(fen)末(mo)，激光(guang)束(shu)继(ji)续(xu)按(an)照(zhao)下(xia)一(yi)层的(de)数据(ju)信(xin)息进行扫(sao)描，如(ru) 此 往 复(fu) 循(xun) 环 直 到(dao) 整 个 构(gou) 件(jian) 制(zhi) 造 完成(cheng)［15，17］。 SLM 成(cheng) 形 过(guo) 程(cheng) 通 常(chang) 在 充(chong) 满 惰 性(xing) 气(qi) 体(Ar、N2)的密闭腔室内(nei)进(jin)行，以(yi)防(fang)止(zhi)金(jin)属(shu)与(yu)其他气(qi)体(ti)发生(sheng)反(fan)应(ying)。 成形(xing)结束(shu)后(hou)，对支撑(cheng)粉(fen)末进行(xing)收集、过筛，以(yi)便(bian)重(zhong)复(fu)利(li)用(yong)。

表 1 对比了(le)选区(qu)激光(guang)熔化(hua)、激(ji)光(guang)熔化沉积(Laser Melting Deposition，LMD) 和电(dian)子(zi)束选区(qu)熔(rong)化(Selective Electron Beam Melting，SEBM)3 种常见(jian)的(de)高(gao) 能(neng) 束 流 3D 技 术 的 工(gong) 艺(yi) 参 数 和 成 形 特点［1，5，18 － 20］，这 3 种技术均基于完全熔化/凝固机制(zhi)，可获(huo)得近(jin)乎全(quan)致(zhi)密(mi)的(de)显(xian)微组(zu)织(zhi)。

其中(zhong)，LMD 技术采用(yong)同轴送粉方(fang)式，激光器功率(lv)为(wei)千(qian)瓦(wa)级(ji)，成(cheng)形效率(lv)高，成形尺寸(cun)基本(ben)不受限制，特(te)别适(shi)合(he)大(da)、中(zhong)型复(fu)杂金属(shu)零件的(de)高效(xiao)率(lv)制(zhi)备，但(dan)由(you)于所配备的(de)激光(guang)光斑直(zhi)径较(jiao)大(da)( 通常(chang)在(zai)1 mm以上(shang))，故(gu)成(cheng)形(xing)精(jing)度较(jiao)低，需要后(hou)续的(de)进(jin)一(yi)步机加(jia)工(gong)。 SEBM 技术与(yu) SLM 技术在(zai)成形(xing)原(yuan)理和(he)成形(xing)件(jian)特(te)点等方面(mian)基本相(xiang)似，主要(yao)区(qu)别(bie)是加(jia)工热(re)源(yuan)不(bu)同，SEBM 技(ji)术(shu)采(cai)用(yong)高能高(gao)速电(dian)子束(shu)作(zuo)为热源(yuan)，其成(cheng)形效(xiao)率(lv)和(he)成形(xing)精(jing)度(du)介于 LMD 技(ji)术和(he) SLM 技(ji)术(shu)之(zhi)间(jian)。

SLM 技术(shu)由于(yu)激光(guang)光斑直径(jing)、铺粉厚度和(he)粉(fen)体(ti)粒径都非(fei)常小(xiao)(通常(chang)在(zai)几(ji)十微米(mi)量(liang)级)，光纤(xian)激光器能(neng)量密度(du)高(gao)，使(shi)得成(cheng)形件(jian)尺(chi)寸(cun)精度高、表面(mian)质(zhi)量(liang)优(you)异，致(zhi)密(mi)度(du)近(jin) 100% ，通(tong)常(chang)无需(xu)或(huo)仅需(xu)简单的(de)后(hou)期处(chu)理(li)就能直(zhi)接(jie)使(shi)用(yong)，属于真正(zheng)意(yi)义(yi)上(shang)的“净(jing)成(cheng)形”，此外，基(ji)于(yu)铺粉工艺的粉末(mo)床(chuang)中易(yi)于(yu)构(gou)造(zao)支(zhi)撑(cheng)结(jie)构(gou)，因(yin)此，SLM 技术(shu)特(te)别(bie)适(shi)合具有悬空、复杂内(nei)腔和(he)型面(mian)等中(zhong)、小型复(fu)杂结(jie)构(gou)件的直接(jie)整(zheng)体(ti)制(zhi)造。

SLM 3D 打(da)印(yin)设(she)备具(ju)有成形(xing)速(su)度(du)快(kuai)、参数(shu)易(yi)调(diao)控(kong)、数(shu)据(ju)处理方便(bian)等特点，特(te)别适(shi)合大(da)批量材料(liao)样(yang)品的(de)快速制备(bei)和(he)工艺(yi)参(can)数(shu)的(de)优化(hua)控(kong)制(zhi)，美国(guo)桑迪亚国家实(shi)验(yan)室(shi) Salzbrenner 等［21］采(cai)用 SLM 3D打(da)印(yin)设(she)备一(yi)次(ci)性(xing)批量(liang)制备了(le) 120 个(ge)不锈钢(gang)拉(la)伸(shen)测(ce)试(shi)件，如图 2 所示。 为(wei)系统(tong)研究多种(zhong)力(li)学(xue)性(xing)能的(de)统(tong)计(ji)学(xue)特征提(ti)供(gong)了(le)技(ji)术(shu)支(zhi)持，实(shi)现了对该类材料(liao)特性(xing)的快(kuai)速(su)、高(gao)效(xiao)评估(gu)。

为(wei)进(jin)一(yi)步扩展(zhan)打(da)印(yin)尺(chi)寸、提高打(da)印(yin)效率并(bing)实现(xian)构件(jian)的(de)大(da)批量制造，集多激光束、智(zhi)能监(jian)控(kong)、铣削(xue)加工和热(re)处理(li)等(deng)一(yi)体(ti)的(de)混合(he) 3D 打印(yin)设备(bei)成(cheng)为发展趋势，华中科(ke)技(ji)大(da)学(xue)曾(ceng)晓雁等(deng)［22］采(cai)用(yong)四(si)激(ji)光SLM 3D 打印(yin)设(she)备进(jin)行 TC4 合(he)金(jin)的成形试(shi)验发(fa)现，通(tong)过调(diao)整工(gong)艺参(can)数(shu)，可(ke)使得(de)成(cheng)形(xing)样品(pin)的(de)微(wei)观(guan)结构和(he)机(ji)械性(xing)能不(bu)受(shou)重叠区域(yu)的(de)影响，为(wei)实(shi)现性能稳定的大尺(chi)寸(cun)部件的(de)高效率制造(zao)提供了技术支撑。 由此可(ke)见，SLM 3D 打(da)印(yin)设(she)备(bei)有望作(zuo)为材(cai)料基(ji)因(yin)组(zu)计划(hua)(Materials Genome Initiative，MGI) 的验(yan)证平台(tai)，进行(xing)高(gao)通量的材料(liao)实验，为材料(liao)计(ji)算模拟(ni)提供大量(liang)基(ji)础数据(ju)和(he)实验验证，充(chong)实材料性能与结(jie)构(gou)数(shu)据库(ku)，同时(shi)也可以针(zhen)对(dui)具(ju)体(ti)应用需求(qiu)，结(jie)合(he)理论模型，加(jia)快(kuai)材料(liao)设计(ji)，快(kuai)速筛(shai)选目(mu)标(biao)材(cai)料，推进材(cai)料(liao)研(yan)发(fa)和(he)应(ying)用(yong)进程。

SLM 成(cheng)形过程(cheng)涉(she)及复杂(za)的(de)冶金(jin)、物(wu)理、化学(xue)和热力耦合(he)等问题，产生(sheng)的球(qiu)化效(xiao)应(ying)、残余应(ying)力(li)等往(wang)往引(yin)起微孔(kong)、微裂(lie)纹(wen)以(yi)及(ji)层间(jian)弱(ruo)结(jie)合等(deng)内部缺(que)陷。 为(wei)获得(de)致(zhi)密度高、性能(neng)优(you)异(yi)的(de)成形构(gou)件，需(xu)要对 SLM 成(cheng)形工(gong)艺参(can)数(如(ru)扫描(miao)策(ce)略(lve)、激光(guang)功率(lv)、激光(guang)扫(sao)描速(su)率(lv)、扫描间(jian)距(ju)和(he)层厚)进(jin)行优(you)化(hua)，通常采用(yong)单位体(ti)积内的(de)平(ping)均施加能(neng)量，即体(ti)积(ji)能量(liang)密度(du)E(J/mm3)来(lai)表示(shi)，其(qi)表(biao)达(da)式为(wei)［13］式(shi)中(zhong): 

P 为 激(ji) 光(guang) 功(gong) 率(lv)，W; v 为 激(ji) 光(guang) 扫 描 速(su) 度，mm/s;h 为激(ji)光(guang)扫(sao)描间距(ju)，mm;t 为层(ceng)厚(hou)度(du)，mm。

体(ti)积能量(liang)密度(du)对激光熔池(chi)尺寸(cun)起(qi)着(zhe)决(jue)定(ding)性作用，而激(ji)光(guang)熔(rong)池尺寸(cun)对(dui) SLM 成(cheng)形件的表(biao)面(mian)形(xing)貌(mao)、微(wei)观(guan)组(zu)织(zhi)和(he)力(li)学(xue)性(xing)能有(you)着(zhe)重要影响，因此，通(tong)过改变(bian) SLM 工(gong)艺参数(shu)，可(ke)以(yi)实现对成(cheng)形件组织和(he)性(xing)能(neng)的有(you)效调(diao)控(kong)与(yu)优化(hua)。

2、SLM 3D 打印(yin)钛合金及(ji)其(qi)复(fu)合(he)材(cai)料组(zu)织(zhi)结构(gou)特(te)征(zheng)

钛(tai)合(he)金(jin)及其(qi)复(fu)合材料的力学性能主(zhu)要(yao)取决(jue)于(yu)基体(ti)连续相(xiang)种类、形貌、取向(xiang)、特(te)征(zheng)尺(chi)寸(cun)及增强相(xiang)(对于复(fu)合材(cai)料而(er)言)的(de)含量、形貌与(yu)分布(bu)等(deng)组(zu)织特征，SLM 3D 打(da)印(yin)制备的(de)钛(tai)合(he)金及其(qi)复合(he)材(cai)料(liao)的典(dian)型(xing)组织结(jie)构特征情(qing)况(kuang)汇(hui)总(zong)如(ru)表 2 所示。

2.1SLM 3D 打(da)印(yin)钛(tai)合(he)金典(dian)型(xing)组(zu)织(zhi)特征(zheng)

SLM 3D 打印制(zhi)备的钛(tai)合金(jin)的组(zu)织(zhi)结(jie)构与激光(guang)熔池的(de)传(chuan)热(re)过(guo)程密切相关(guan)［4］。 由于(yu) SLM 过程(cheng)中(zhong)形成的(de)激(ji)光熔池(chi)极(ji)小，熔(rong)池(chi)凝固过(guo)程(cheng)中(zhong)具(ju)有(you)极(ji)高(gao)的冷(leng)却(que)速率(10³ ～ 10⁸ K/s，马氏(shi)体转(zhuan)变(bian)临(lin)界(jie)冷(leng)却速(su)率(lv)410 K/s)和温度梯度(10⁴ ～10⁵K/cm)［1，7，16，34 － 36］，β 相不(bu)能通过扩(kuo)散(san)转(zhuan)变(bian)成平衡的 α 相，只(zhi)能发生(sheng)切(qie)变相(xiang)变，从而(er)形(xing)成 α 稳定(ding)元(yuan)素(su)过(guo)饱和(he)的固溶体，即(ji) α'马(ma)氏体(ti)。 研究表(biao)明，采用 SLM 3D 打(da)印(yin)成(cheng)形的工业纯(chun)钛［16，28 － 29］、α 型钛合金［30］、近(jin) α 型(xing)钛合金［37］及(ji)(α + β) 型钛合金(jin)［13，24 － 25，31］微(wei)观(guan)组织(zhi)中(zhong)通常(chang)含(han)有(you)大量细(xi)小(xiao)的(de)针状(zhuang) α'马(ma)氏(shi)体(ti)。

以(yi)研(yan)究(jiu)最为广泛(fan)的 TC4 合金(jin)为例，采用(yong) SLM技(ji)术制备的 TC4 钛合金微(wei)观(guan)组织主要由(you)大(da)量细小(xiao)针(zhen)状 α' 马 氏(shi) 体 和 少 量(liang) 初 始 β 柱(zhu) 状(zhuang) 晶(jing) 组 成(cheng)(图 3)，且(qie)初始 β 柱(zhu)状晶(jing)沿(yan)堆(dui)积方向(xiang)呈现(xian)较(jiao)明(ming)显(xian)的各(ge)向(xiang)异(yi)性(xing)并(bing)贯(guan)穿(chuan)多个熔敷层(ceng)连(lian)续(xu)外(wai)延(yan)生(sheng)长(zhang)，长(zhang)度最多可(ke)达(da)几个毫(hao)米［13，19，38 － 39］。 其中，β 柱状组(zu)织(zhi)分布(bu)特(te)征与 LMD 技(ji)术成形的(de)组(zu)织(zhi)(图4(a))十分相似(shi)。 但不(bu)同(tong)的是，得(de)益(yi)于冷却速率(lv)更(geng)高、热(re)积累(lei)较少(shao)，SLM 成(cheng)形 TC4 合(he)金初(chu)始 β 柱(zhu)状(zhuang)晶更加(jia)细化(hua)(宽(kuan)度通(tong)常在 100 μm 以(yi)内)，且(qie)在(zai)柱(zhu)状(zhuang)晶内(nei)部(bu)形(xing)成不同(tong)取向(xiang)的 α'马氏体，这也(ye)使得 SLM 成(cheng)形件组织(zhi)和(he)力(li)学性(xing)能(neng)的(de)各向异(yi)性(xing)都(dou)明显弱于(yu) LMD构(gou)件。

SLM 3D 打(da)印(yin)工(gong)艺参数(shu)对(dui)钛合(he)金成(cheng)形(xing)件的(de)微观组(zu)织(zhi)结构具有显(xian)著影(ying)响［16，25，40 － 42］。 Xu 等(deng)人(ren)［25］发现(xian)改(gai)变能(neng)量(liang)密(mi)度(du)和激(ji)光(guang)焦点(dian)偏移距离可有(you)效调控(kong) TC4 钛(tai)合金组织(zhi)中(zhong) α'马(ma)氏(shi)体含量(liang)，并(bing)可在(zai)适当(dang)工(gong)艺参数(shu)搭配下(xia)实现(xian) α'马氏体(ti)原位(wei)分解，得到只(zhi)含(α + β) 片(pian)层(ceng)的组(zu)织(zhi)。 Gu 等人［16］研(yan)究发(fa)现(xian)，保(bao)持激光(guang)功率(lv)不(bu) 变，随扫描(miao)速度(du)增(zeng)加，工 业(ye)纯钛(tai)(TA2)的组(zu)织(zhi)由较为粗(cu)大的 α 片(pian)层(ceng)组织(zhi)逐步过(guo)渡到(dao)细(xi)小(xiao)的(de)针形 α'马氏(shi)体。

此(ci)外(wai)，基(ji)于(yu)铺粉工(gong)艺(yi)的 SLM 技术是一(yi)个(ge)合金粉末逐(zhu)层(ceng)熔覆(fu)沉(chen)积的(de)过(guo)程。 成形(xing)过程(cheng)中持(chi)续的(de)热输入会(hui)对已(yi)熔(rong)覆(fu)沉积(ji)层(ceng)起到类似(shi)循(xun)环热(re)处理的(de)作用(yong)。 因(yin)此，在(zai)一(yi)定条件(jian)下，成形件在不(bu)同位(wei)置可(ke)以呈现(xian)不同微(wei)观组(zu)织。 如(ru)图 5 所示，在(zai)堆(dui)积(ji)方(fang)向，由于(yu) SLM 成形试样不同(tong)部位经历的循环热(re)处(chu)理(li)过(guo)程不(bu)同(tong)，使得(de)区(qu)域 I 由(you)界面清(qing)晰(xi)的(de)片层(ceng)状(α + β)双相组成，区域 II 则(ze)由(you)更加(jia)细小的片层(ceng)状( α +β)双相组成(cheng)，这(zhe)与(yu)热处(chu)理后(hou)形(xing)成的(de)组(zu)织(zhi)结(jie)构非常相(xiang)似，研(yan)究者认(ren)为这(zhe)是(shi)因为已成形(xing)组(zu)织(zhi)中(zhong)的 α'马氏体在(zai)后(hou)续热(re)输(shu)入作(zuo)用下(xia)发(fa)生(sheng)了原位(wei)分解(jie)，而(er)区域(yu) III 则是(shi)典型(xing)的 α'马(ma)氏(shi)体，这是最(zui)后几(ji)层缺少(shao)后(hou)续(xu)堆(dui)积层的热处理(li)作用(yong)造成的(de)［25］。 因此(ci)，SLM过(guo)程(cheng)的(de)这(zhe)一特(te)点有(you)望(wang)实(shi)现(xian)梯度(du)材料(liao)的(de)制(zhi)备。

2.2SLM 3D 打印(yin)钛基(ji)复合(he)材(cai)料(liao)典(dian)型组织特征(zheng)

陶(tao)瓷增强(qiang)体(ti)的(de)引入可以(yi)显(xian)著细化钛基体(ti)的(de)微观(guan)组织(zhi)。 与(yu)传统的(de)粉(fen)末(mo)冶(ye)金、铸造等(deng)工艺制备(bei)的(de)原位自生钛基(ji)复合材料相比(bi)，SLM 工(gong)艺(yi)得(de)到(dao)的(de)陶(tao)瓷(ci)增强相晶粒(li)往(wang)往异常(chang)细(xi)化(hua)，可达(da)纳米(mi)级，且(qie)弥(mi)散(san)分(fen)布(bu)在(zai)钛基体(ti)中，无(wu)明显团聚现(xian)象，可有(you)效(xiao)约束(shu)钛基(ji)体(ti) 的 热 膨 胀 变 形(xing)，防 止(zhi) 界(jie) 面 裂 纹(wen) 的 产生［32 － 33，43 － 45］。 这(zhe)种(zhong)独特(te)的纳(na)米(mi)级(ji)增(zeng)强(qiang)体(ti)形貌(mao)与分布特(te)征主(zhu)要得益(yi)于高能量密(mi)度激(ji)光(guang)辐照、熔(rong)化(hua)过程所特有的能量(liang)特(te)点以及非(fei)平衡激(ji)光(guang)熔池内特(te)殊(shu)冶金(jin)热力学和动力(li)学(xue)行(xing)为。

图 6 所示为 SLM 成形的 Ti － 8.35 vol。 % TiB原位自生(sheng)钛基复合(he)材料(liao)的(de)微(wei)观组(zu)织(zhi)［32］。 与纯 Ti相(xiang)比，该复合(he)材(cai)料中钛晶(jing)粒(li)为(wei)更加(jia)细小(xiao)的片(pian)层状(zhuang)，晶(jing)粒平(ping)均尺寸(cun)(长(zhang) × 宽(kuan)) 由约 15. 3 μm × 2.1 μm细(xi)化至约 1.1 μm × 0. 6 μm。 分(fen)析认(ren)为(wei)，这(zhe)主要是由(you)于(yu)原(yuan)位生成(cheng)的(de)大(da)量(liang)弥散(san)分布 TiB 阻止了钛晶(jing)粒(li)长(zhang)大(da)导致(zhi)。 而(er) TiB 增(zeng)强(qiang)体则(ze)以(yi)晶须(xu)状(zhuang)或(huo)短纤维状(zhuang)均(jun)匀(yun)分布(bu)在 Ti 基(ji)体(ti)中(zhong)，其(qi)直(zhi)径(jing)达到(dao)了纳米尺度(du)，大量(liang)单(dan)根晶(jing)须聚(ju)集(ji)在一(yi)起(qi)形(xing)成(cheng)晶须(xu)簇。Gu 等(deng) 人(ren)［33］ 研 究(jiu) 表(biao) 明，SLM 成 形 的 Ti －15wt% TiC 复(fu)合(he)材(cai)料中(zhong) TiC 增(zeng)强相(xiang)主(zhu)要有(you)两种(zhong)形(xing)貌(mao):一(yi)种是细长(zhang)树枝晶(jing)结构(gou)(图(tu) 7(c))，一次枝(zhi)干长(zhang)约(yue) 6. 8 μm，一次(ci)枝(zhi)晶长约 0.7 μm，一次枝晶间距则为纳米(mi)级;另一种(zhong)是平均(jun)厚度约(yue) 90 nm 的(de)TiC 片(图 7(d))，即出现(xian)了纳(na)米 TiC 增强体。 这(zhe)种(zhong)微(wei)细(xi)的(de)纳米级 TiC 增强(qiang)体在传统(tong)工艺制备(bei)的原(yuan)位(wei)钛(tai)基(ji)复(fu)合(he)材(cai)料中很(hen)难出(chu)现，主要(yao)得益(yi)于 SLM 过(guo)程中高能量(liang)密(mi)度和(he)激(ji)光(guang)熔(rong)池(chi)冷却(que)速(su)率，TiC 通过(guo)溶解(jie)/沉(chen)淀(dian)机制以(yi)异(yi)质(zhi)形(xing)核(he)的方(fang)式(shi)生(sheng)成(cheng)新核(he)并(bing)长(zhang)大(da)。

值(zhi)得(de)说(shuo)明的(de)是，SLM 成(cheng)形(xing)过(guo)程需要球形(xing)度较高且(qie)尺寸分(fen)布(bu)范(fan)围(wei)较窄的粉(fen)末以(yi)确(que)保铺(pu)粉(fen)顺(shun)利进(jin)行。 常用钛(tai)合金粉末采用(yong)气雾化方法(fa)制备(bei)且(qie)已(yi)实现商业(ye)化(hua)生(sheng)产(chan)，但(dan)目(mu)前尚(shang)无适(shi)合 SLM 过(guo)程的陶(tao)瓷(ci)增强(qiang)钛(tai)基复(fu)合(he)材(cai)料(liao)专用球(qiu)形粉(fen)末(mo)。 现阶(jie)段(duan)研究(jiu)主要是(shi)采用(yong)低(di)能(neng)球(qiu)磨(mo)方(fang)式将陶(tao)瓷(ci)粉(fen)体(ti)嵌(qian)入(ru)钛粉表面(mian)并维持(chi)其(qi)球形形貌(图 7(a))，这样可以确(que)保(bao)粉体具有足(zu)够的(de)流动(dong)性，但(dan)也(ye)使得(de)高(gao)能(neng)激(ji)光直(zhi)接作用在(zai)陶(tao)瓷(ci)粉(fen)体(ti)上，常(chang)引起(qi)比(bi)金(jin)属(shu)粉末更为突出的(de)飞溅问题(ti)，增加成(cheng)形过程的(de)不(bu)稳(wen)定(ding)性(xing)，引(yin)起(qi)成形缺陷(xian)。

2. 3常(chang)见冶金(jin)缺陷

选(xuan)区(qu)激(ji)光熔化(hua) 3D 打(da)印(yin)工(gong)艺在(zai)形成独(du)特(te)微(wei)观(guan)组(zu)织(zhi)的同时，也(ye)可(ke)能(neng)由于成形工艺(yi)控制(zhi)不(bu)当而(er)产生气孔、夹杂、裂(lie)纹(wen)和(he)层(ceng)间熔合不(bu)良(liang)等冶金缺陷(xian)(图(tu) 8)［28］，并(bing)进一(yi)步(bu)影响(xiang)成(cheng)形件的力学性能(neng)。 如前(qian)所(suo)述(shu)，SLM 工(gong)艺参数(shu)对激(ji)光熔(rong)池(chi)尺(chi)寸起(qi)着决(jue)定性作(zuo)用，在高(gao)能激(ji)光与粉末(mo)作(zuo)用过程(cheng)中(zhong)，熔池的(de)大小(xiao)、形态及其变化过(guo)程(cheng)(稳(wen)定性)对成形(xing)件的(de)微观(guan)组(zu)织、内(nei)部(bu)缺陷及(ji)表面(mian)粗糙度(du)等(deng)有着(zhe)直接(jie)的影(ying)响(xiang)。Gu 等(deng)［16］研究了(le)不同(tong)工(gong)艺(yi)参数(扫描(miao)速(su)度(du))对工业(ye)纯(chun)钛(tai)成(cheng)形(xing)过程(cheng)中激(ji)光(guang)熔(rong)池(chi)液(ye)相前(qian)沿(yan)铺展(zhan)形(xing)态(tai)的(de)影响(xiang)规(gui)律，当(dang)采用合(he)适的扫描(miao)速度(du)(200 mm/s) 时(shi)，激光(guang)熔池(chi)的(de)熔体流动均匀(yun)，液(ye)相(xiang)前沿(yan)铺(pu)展(zhan)顺(shun)利(li)，相(xiang)邻扫描(miao)道次(ci)之间(jian)冶(ye)金结(jie)合良(liang)好，凝固后的(de)液态熔(rong)池(chi)轮廓十分(fen)清晰(xi)，无(wu)球(qiu)化(hua)现(xian)象，也没(mei)有气孔(kong)和(he)裂(lie)纹(wen)等(deng)冶(ye)金缺陷(xian)，最(zui)终(zhong)成形(xing)件(jian)几(ji)乎(hu)完全致(zhi)密(mi)且表(biao)面(mian)光(guang)洁(jie)度高，而速(su)度(du)太(tai)高(gao)(400 mm/s)则容(rong)易(yi)导(dao)致(zhi)液相前(qian)沿(yan)铺展紊(wen)乱(luan)，有明显(xian)的(de)球(qiu)化效应产(chan)生(sheng)，堆(dui)积(ji)层分(fen)布(bu)不均匀且(qie)在层(ceng)间(jian)形成了明(ming)显(xian)的(de)微米级(ji)孔(kong)洞，导(dao)致(zhi)其致密(mi)度显(xian)著下降(jiang)。

球(qiu)化效(xiao)应(ying)是(shi) SLM 成(cheng)形(xing)过程(cheng)中很(hen)常见(jian)的(de)一(yi)种(zhong)缺陷，在(zai)扫(sao)描(miao)速度较(jiao)高(gao)时容易(yi)出(chu)现(xian)，这(zhe)是因为(wei)较(jiao)高(gao)的扫(sao)描(miao)速(su)度(du)造(zao)成(cheng)熔(rong)池(chi)内温(wen)度(du)梯(ti)度较大(da)，产生(sheng)较大(da)的(de)表面(mian)张(zhang)力(li)梯度(du)，进而(er)出(chu)现(xian)Marangoni 对(dui)流现(xian)象，增加(jia)了(le)热(re)毛细力和液态熔池(chi)的(de)不稳(wen)定(ding)性(xing)，且(qie)扫描(miao)速度(du)越大(da)该(gai)现象(xiang)就(jiu)愈明(ming)显，熔池(chi)液(ye)态(tai)表(biao)面(mian)流体从(cong)低(di)表(biao)面张力区(qu)域(yu)到(dao)高表(biao)面张力区域流(liu)动，将液流(liu)方向(xiang)由(you)放(fang)射(she)状(zhuang)向外改为(wei)放(fang)射(she)状(zhuang)向(xiang)内(nei)方(fang)向，从(cong)而(er)导致指向激光(guang)束中心(xin)的(de)粗(cu)大(da)金属球(qiu)的产(chan)生(sheng)，产(chan)生球(qiu)化(hua)效应。

2.4热(re)处理(li)后组织(zhi)特(te)征

SLM 成形钛(tai)合(he)金及其(qi)复(fu)合(he)材(cai)料构(gou)件(jian)中大量α'马氏(shi)体(ti)硬脆(cui)相(xiang)的(de)存(cun)在一(yi)定程(cheng)度(du)上(shang)有(you)利于(yu)提升成形件(jian)的(de)强度(du)和硬(ying)度(du)，但往往造(zao)成(cheng)塑性(xing)降低(di)，尤(you)其(qi)是对于(yu) TC4 合金，分(fen)布在(zai)初始 β 柱(zhu)状晶晶(jing)界(jie)上的 α'马氏体极易造(zao)成沿(yan)晶(jing)断裂(lie);此外，SLM 逐层(ceng)堆(dui)积(ji)过程(cheng)中会(hui)累(lei)积大量的热应力(li)。 因此(ci)，在(zai)一些(xie)实(shi)际(ji)应用(yong)中，为(wei)了(le)消(xiao)除热应力(li)及(ji) α'马氏(shi)体(ti)对基(ji)体(ti)塑性(xing)的(de)不利(li)影响(xiang)，通(tong)常需要对 SLM 成形(xing)件进(jin)行适(shi)当的(de)热(re)处(chu)理来(lai)获(huo)得(de)特(te)定(ding)的(de)显(xian)微(wei)组织(zhi)，以(yi)达(da)到合(he)金的最佳力(li)学(xue)性(xing)能［44 ，46 － 51］。

研(yan)究表明，当热(re)处(chu)理(li)温度(du)在(zai)钛合(he)金相(xiang)变(bian)点(dian)(995 ℃左右(you))以下时(shi)，亚稳态(tai) α'马(ma)氏(shi)体发生(sheng)分解并转变(bian)为(wei)片(pian)层(ceng)状(zhuang)(α + β)相;交(jiao)替排(pai)列(lie)的(α + β)相(xiang)可有(you)效(xiao)阻止(zhi)晶(jing)粒(li)长大，初始 β 柱(zhu)状(zhuang)晶(jing)依(yi)然(ran)清晰(xi)可(ke)见。 α 片层(ceng)宽度主要(yao)取决于(yu)热(re)处(chu)理温(wen)度(du)［25］，且随(sui)着(zhe)温(wen)度(du)升高(gao)而增(zeng)加(jia)(表 2 和图(tu) 9)。 保温时间(jian)和(he)冷却(que)速(su)率则没(mei)有(you)显著影(ying)响(xiang)。 当(dang)热(re)处理温(wen)度在(zai)相变(bian)点以(yi)上时，保温(wen)过程(cheng)中(zhong)，初(chu)始 β 柱状晶成(cheng)长为粗大的半(ban)等轴状(zhuang) β 晶(jing)粒(li)，最(zui)终组(zu)织(zhi)结构则主(zhu)要(yao)取决(jue)于冷却方式。 在(zai)随(sui)炉(lu)冷(leng)却(que)、空冷和(he)水(shui)淬条件下分(fen)别(bie)形(xing)成片(pian)层状(α + β)相、魏(wei)氏组织(zhi)和(he) α'马氏(shi)体组织［52］。

现(xian)阶(jie)段(duan)选区激光(guang)熔(rong)化(hua) 3D 打(da)印(yin)钛合金成形(xing)件的(de)热处(chu)理基本(ben)上是(shi)直(zhi)接沿(yan)用(yong)传(chuan)统(tong)铸造(zao)和(he)粉末冶(ye)金(jin)构(gou)件的热(re)处理(li)规(gui)程。 而由于 SLM 成(cheng)形(xing)件(jian)的初始组(zu)织(zhi)结(jie)构(gou)特征与(yu)传(chuan)统(tong)工(gong)艺(yi)相(xiang)差较(jiao)大，现有的(de)热处理工艺(yi)难以充分(fen)发挥(hui)选区激(ji)光(guang)熔(rong)化成形件(jian)的力学(xue)性能。 因此(ci)有(you)必要开(kai)发适(shi)用于 SLM 的(de)专用热(re)处(chu)理制(zhi)度。 目(mu)前随着(zhe)选(xuan)区(qu)激光熔(rong)化(hua)技(ji)术的不(bu)断发(fa)展，集3D 打印(yin)成(cheng)形(xing)、加工、热处理于一(yi)体的(de)混(hun)合(he)增(zeng)材制(zhi)造系统(tong)有(you)望(wang)得到(dao)推广应(ying)用。

3、SLM 3D 打(da)印(yin)钛合金(jin)及其(qi)复(fu)合(he)材料的力学性(xing)能(neng)特(te)点(dian)

3. 1强(qiang)度与(yu)塑性(xing)

如前所述(shu)，通(tong)过 SLM 工(gong)艺直接成(cheng)形的(de)钛合金(jin)主要(yao)由(you)大量细小的(de)针形 α'马氏(shi)体组(zu)成。 因(yin)此，其拉伸(shen)强度(du)明(ming)显(xian)高(gao)于传(chuan)统工艺制备(bei)的构(gou)件，而(er)大(da)量(liang)硬脆(cui)相 α'马(ma)氏体的(de)存(cun)在也(ye)往(wang)往(wang)导(dao)致其延伸(shen)率(lv)较(jiao)低(di)，未(wei)经任(ren)何(he)后续(xu)处理的(de) SLM 成(cheng)形件，其(qi)塑性指(zhi)标通(tong)常难(nan)以达到常用(yong)的(de)铸件(jian)和锻件(jian)标准(zhun)［53 － 54］。

在(zai)相(xiang)变温度以下进行适当的热(re)处(chu)理后，SLM成(cheng)形(xing)件的(de)强度略(lve)有降低(di)，但(dan)塑(su)性可(ke)以(yi)得到明显改(gai)善，其延(yan)伸(shen)率通(tong)常可以提(ti)升(sheng)至 10% 以(yi)上(shang)，从(cong)而表现(xian)出较为(wei)优异(yi)的综合性(xing)能。 此(ci)外，Xu 等(deng)［25］未(wei)采用(yong)后续热(re)处(chu)理(li)，仅(jin)通(tong)过(guo)调(diao)整(zheng)工(gong)艺参(can)数，利(li)用(yong) SLM 工(gong)艺(yi)自身(shen)往复熔覆(fu)沉(chen)积(ji)对(dui)已(yi)熔(rong)覆(fu)沉(chen)积层(ceng)进(jin)行充(chong)分的退(tui)火(huo)和(he)回(hui)火(huo)热处(chu)理，实(shi)现成形(xing)和(he)热处理(li)一体(ti)化(hua)，已生成的 α'马(ma)氏体发生原(yuan)位分解形成超细的(de)(α + β)片层(ceng)状(zhuang)结构(gou)，从(cong)而 得 到(dao) 兼 具 优 异 强(qiang) 度(du) ( 屈(qu)服(fu)强度 ≥1 100 MPa)和塑(su)性(xing)(延(yan)伸率≥11% )的 SLM 构(gou)件(jian)。

如表(biao) 3 所(suo)示，3 种常(chang)见(jian)的高能束流(liu) 3D 打(da)印技(ji)术(shu)制(zhi)备(bei)的构件强度(du)均可达到(dao) ASTM 工(gong)业(ye)用(yong)铸(zhu)件和(he)锻(duan)件标准(zhun)。 由于 3D 打(da)印过(guo)程中层(ceng)层堆积的(de)成(cheng)形特(te)点(dian)，其(qi)拉伸性能(neng)均表(biao)现(xian)出一定的(de)各向异性(xing)。 与SLM 构(gou)件相(xiang)比(bi)，LMD 和(he) SEBM 成形件拉伸(shen)强(qiang)度略低(di)，但(dan)塑性更优(you)。 这(zhe)是(shi)因为 LMD 工艺过(guo)程中(zhong)冷(leng)却速率相(xiang)对较(jiao)低(di)、生 成(cheng) 的(de) 晶(jing) 粒(li) 尺 寸(cun) 较(jiao) 为(wei) 粗(cu) 大。 而(er)SEBM 设(she)备(bei)具有(you)较(jiao)高(gao)预(yu)热(re)温(wen)度，可(ke)有效避(bi)免(mian)硬脆(cui)相 α'马氏(shi)体的生成。

在(zai) SLM 过程中(zhong)，通过原(yuan)位反(fan)应(ying)将高强高硬度的(de)陶(tao)瓷(ci)增强相(xiang)引入(ru)钛基(ji)体(ti)后，由(you)于(yu)钛(tai)基(ji)体(ti)晶(jing)粒的(de)细(xi)化(hua)以(yi)及陶瓷相(xiang)的增(zeng)强(qiang)效应(ying)，钛(tai)基复合材料(liao)的(de)强(qiang)度(du)会显著(zhu)提(ti)高(gao)，如表(biao) 3 所示。 虽(sui)然塑(su)性有(you)所下(xia)降，但其(qi)综(zong)合(he)力学(xue)性能(neng)明(ming)显(xian)优(you)于(yu)传(chuan)统(tong)工艺制备(bei)的钛(tai)基(ji)复合(he)材料。 这可能与 SLM 过程(cheng)中形(xing)成的(de)独特(te)纳米级(ji)增强体(ti)形貌及均匀(yun)弥(mi)散的分(fen)布(bu)特征(zheng)有(you)关(guan)。

3. 2疲劳性(xing)能

SLM 构(gou)件(jian)的(de)表面质量、微(wei)观(guan)组织、内部缺(que)陷(xian)以及残余应力(li)等是影(ying)响(xiang)其疲劳性能(neng)的(de)主要因素(su)，疲劳(lao)源(yuan)往(wang)往出(chu)现(xian)在构(gou)件的(de)外(wai)表面(mian)或(huo)次表(biao)面(mian)(如(ru)构(gou)件内(nei)部(bu)未(wei)熔(rong)融颗粒(li)，图(tu) 8 ( c))［62 － 64］。 目(mu)前(qian)对于SLM 成(cheng)形件(jian)疲(pi)劳(lao)性能(neng)的(de)研究主(zhu)要集中于(yu) TC4 合金。 如前(qian)所(suo)述(shu)，SLM 成(cheng)形(xing) TC4 构件(jian)的(de)微(wei)观组(zu)织主(zhu)要是(shi)针形(xing) α'马氏(shi)体，且(qie)构(gou)件内(nei)部(bu)残留未(wei)熔(rong)融(rong)粉末(mo)以及微(wei)孔等内部缺(que)陷(xian)往(wang)往(wang)成(cheng)为应(ying)力集中(zhong)和疲(pi)劳(lao)裂纹(wen)萌(meng)生(sheng)的场所(suo)，容易导致(zhi)构(gou)件(jian)早(zao)期(qi)失(shi)效。 经过相应(ying)的(de)表(biao)面(mian)处(chu)理(li)(抛光(guang)、喷砂、喷(pen)丸处理(li)等(deng)) 和热处(chu)理(li)后(hou)，SLM 构件(jian)的(de)耐(nai)疲劳性(xing)能(neng)明(ming)显提升(sheng)［65 － 67］，如(ru)图(tu) 10所示(shi)。

如(ru)图 11 所(suo)示(shi)［68］，未经(jing)处(chu)理(li)的(de) SLM 试(shi)样(yang)外侧(ce)存(cun)在(zai)许(xu)多(duo)由粗糙外表(biao)面(mian)引(yin)起的(de)层(ceng)状(zhuang)裂纹(wen)等缺(que)陷(xian)。这(zhe)些(xie)脆性不(bu)规则结构的存(cun)在，使(shi)其产生疲(pi)劳破坏(huai)的应力(li)循环(huan)周(zhou)次很(hen)低(di)。 经过表面抛光(guang)处理(li)后(hou)，表(biao)面(mian)裂纹减(jian)少(shao)，应(ying)力循(xun)环(huan)周(zhou)次提高(gao)了(le)近(jin) 3 倍(bei)。 但(dan)由(you)于(yu)试(shi)样(yang)内(nei)部存在大量孔(kong)隙(xi)等(deng)组(zu)织缺(que)陷，其(qi)耐(nai)疲劳性(xing)能(neng)仍远低于(yu)传(chuan)统(tong)锻(duan)件(jian)水平(ping)。 而(er)经过热(re)等静压(ya)处理后(hou)的(de) SLM 试样(yang)，其(qi)耐疲(pi)劳性(xing)能可与(yu)传(chuan)统锻(duan)件(jian)相(xiang)当(dang)(图 11(d))。此(ci)外，Xu 等(deng)［69］研(yan)究发现，与(yu) ASTM 标(biao)准(zhun)中热(re)等静(jing)压处(chu)理(li)的铸件相比(bi)，含(han)有典型针(zhen)状(zhuang) α'马(ma)氏体(ti)组织(zhi)的(de) TC4 构(gou)件(jian)的疲(pi)劳性能表现(xian)较差(cha)。 而通(tong)过调(diao)整SLM 工(gong)艺参数(shu)，将 α'马氏(shi)体原(yuan)位分解(jie)为(wei)超细(xi)(α +β)片层(ceng)组(zu)织后，其耐(nai)疲劳性能(neng)得(de)到大幅(fu)提(ti)升。

由(you)此可(ke)见，SLM 这一工艺(yi)过(guo)程本(ben)身所引(yin)入的固有(you)缺(que)陷对(dui)成形(xing)件(jian)的疲劳(lao)性(xing)能起到(dao)决定性作用。虽然(ran)通(tong)过(guo)适当(dang)的(de)后处(chu)理可(ke)以(yi)在一(yi)定程度上(shang)提(ti)升(sheng)其(qi)耐(nai)疲(pi)劳性(xing)能(neng)，但目前(qian)还大(da)都(dou)难(nan)以(yi)达到传(chuan)统(tong)铸(zhu)锻件水(shui)平。 尤(you)其(qi)是对(dui)于(yu)一(yi)些(xie)不能(neng)在(zai)其所(suo)有(you)表面上进(jin)行(xing)后续加工(gong)的复杂(za)部件(jian)，在设计时(shi)需要充(chong)分考虑(lv)表(biao)面(mian)质(zhi)量(liang)对(dui)疲(pi)劳(lao)强度(du)的影响(xiang)。 但随着(zhe) SLM 设备的(de)发(fa)展和(he)工艺的不断(duan)优化，SLM 构(gou)件孔(kong)隙(xi)率(lv)将(jiang)不(bu)断(duan)降低，这将(jiang)大大(da)改善其疲劳(lao)寿(shou)命(ming)。

4、SLM 3D 打(da)印(yin)钛(tai)合(he)金(jin)及其(qi)复合材料(liao)构件工(gong)程应(ying)用研(yan)究

如前(qian)所(suo)述，选(xuan)区(qu)激光(guang)熔(rong)化 3D 打印(yin)的钛合金及(ji)其(qi)复合材料(liao)具有独(du)特(te)的组(zu)织结构(gou)特(te)征(zheng)和优异的力学(xue)性(xing)能(neng)，随着(zhe)该(gai)技(ji)术的不(bu)断(duan)发展和(he)成熟，在(zai)兼顾(gu)精确(que)成(cheng)形(xing)和(he)高(gao)性(xing)能(neng)成(cheng)形需求(qiu)的复杂结构(gou)件(jian)直接(jie)制(zhi)备(bei)方(fang)面(mian)呈现出(chu)巨大潜(qian)力(li)。 而(er) 3D 打(da)印(yin)技(ji)术(shu)本(ben)身所具有的自(zi)由(you)实体成形特点(dian)，也为(wei)轻(qing)量(liang)化(hua)结构(gou)设(she)计(ji)和(he)产品的个性(xing)化(hua)定制(zhi)提供(gong)了(le)全新(xin)的思路。

4.1航(hang)空(kong)航天(tian)用(yong)关键构件的控(kong)形控(kong)性(xing)制造(zao)

新(xin)型航(hang)空航天装(zhuang)备中使(shi)用(yong)的钛合(he)金(jin)产(chan)品通(tong)常(chang)结(jie)构(gou)复(fu)杂、性(xing)能(neng)要(yao)求(qiu)高，且(qie)在(zai)设(she)计中更(geng)加注(zhu)重(zhong)采(cai)用(yong)精密复杂整(zheng)体结(jie)构件(jian)，传(chuan)统(tong)的铸锻(duan)焊(han)和(he)机加工(gong)工艺已(yi)难(nan)以(yi)满(man)足其(qi)设计和制(zhi)造要求(qiu)。 因此，通(tong)过粉(fen)体设(she)计与制(zhi)备(bei) － 成(cheng)形件结(jie)构设(she)计(ji) － SLM 成(cheng)形工(gong)艺(yi)参数优化 － 成形件组织(zhi)与(yu)力学性能评(ping)价(jia)的(de)一体化(hua)研究(jiu)，选区激光熔(rong)化(hua) 3D 打印技(ji)术(shu)有(you)望实现(xian)力(li)学性(xing)能(neng)优于铸(zhu)件和粉末(mo)冶(ye)金(jin)制品的(de)高复杂性关(guan)键(jian)构(gou)件(jian)的(de)直接制(zhi)造。 由(you)于零件采(cai)用整(zheng)体(ti)制造，可(ke)以(yi)提高(gao)零(ling)件的整(zheng)体性和结(jie)构强度，从(cong)而提高零件的可靠(kao)性(xing)。

目(mu)前包(bao)括空(kong)客、GE 航空(kong)发(fa)动(dong)机等在内(nei)的国外多(duo)家(jia)大(da)型(xing)航(hang)空企(qi)业(ye)都(dou)投入大(da)量资金进(jin)行相(xiang)关研(yan)究(jiu)并取得重要进展。 如(ru)图 12(a)所(suo)示，空(kong)客公(gong)司采用 SLM 3D 打(da)印(yin)技(ji)术(shu)制(zhi)备出 TC4 钛合金支架结(jie)构(gou)件，并(bing)将(jiang)其应(ying)用(yong)于(yu)最新(xin) A350 － XWB 型飞(fei)机(ji)上，目前(qian)已(yi)通(tong)过 EASA 及 FAA 适航认证。 2017 年(nian) 3 月(yue)，空客公(gong)司还将一(yi)个(ge)采用 SLM 3D 打(da)印的扰流(liu)板促动器阀(fa)块(kuai)( 图 12 ( c)) 安(an)装(zhuang)到(dao)了旗舰客机 A380上，并(bing)于(yu) 3 月(yue) 30 日顺利(li)完(wan)成(cheng)首(shou)次飞行(xing)测(ce)试，这(zhe)是空(kong)客在(zai)其(qi)客机上(shang)安(an)装的首个 3D 打印(yin)的(de)主(zhu)飞(fei)行控(kong)制(zhi)液压(ya)元件(jian)。 在(zai)国(guo)内(nei)，江苏无锡飞(fei)而康科技(ji)攻克了SLM 3D 钛(tai)合(he)金大(da)型薄壁件(jian)常(chang)见的(de)应(ying)力(li)开(kai)裂(lie)和(he)型面(mian)变(bian)形(xing)等问题，其(qi)生(sheng)产(chan)的(de)多(duo)个 3D 打(da)印(yin)钛合金(jin)零(ling)部件分(fen)别应(ying)用在 C919 大(da)飞(fei)机(ji)前机(ji)身和(he)中(zhong)后(hou)机(ji)身的(de)登(deng)机门(men)、服(fu)务门以及前后(hou)货(huo)舱(cang)门上(shang)，助(zhu)力 C919在 2017 年 5 月实现首飞。

此(ci)外，轻量(liang)化设(she)计在(zai)航空航(hang)天(tian)和(he)国防领域(yu)具有重要(yao)的(de)应(ying)用(yong)价(jia)值。 构(gou)件的轻量(liang)化(hua)设计(ji)一(yi)方(fang)面可以通过采用(yong)轻(qing)质(zhi)材料来实(shi)现，另一方(fang)面(mian)则可(ke)以通(tong)过基(ji)于 3D 打印(yin)的(de)结构(gou)设(she)计(ji)来实现(xian)，如打印(yin)出三维(wei)空间点阵结构(gou)、异形拓扑优(you)化结构(gou)、中(zhong)空(kong)夹层(ceng)/薄(bao)壁(bi)加(jia)筋(jin)结(jie)构以及一(yi)体(ti)化复(fu)杂(za)整(zheng)体(ti)结构等。 GE航空(kong)与(yu) 3D Systems 公司合作(zuo)，通过拓扑优化轻(qing)量(liang)化设(she)计(ji)，采用(yong) SLM 3D 打(da)印技术制(zhi)备(bei)了飞机(ji)发动(dong)机支架(jia)( 图(tu) 12 ( b) 所示(shi))，在满(man)足负载(zai)要求(qiu)的(de)同(tong)时(shi)，其(qi)质量(liang)相(xiang)比(bi)传(chuan)统零件(jian)减轻了(le) 70% 。 2016 年(nian) 10月(yue)，比(bi)利时 3D 打(da)印企(qi)业(ye) Materialise 与数字化服务(wu)公司 Atos 合(he)作(zuo)，采(cai)用(yong) SLM 3D 打印(yin)技术(shu)研制出(chu)一(yi)种(zhong)卫星(xing)用钛合(he)金(jin)螺套(tao)插入件(jian)(图(tu) 12(d))。 该(gai)部件是(shi)一(yi)个(ge)高(gao)负荷的零件(jian)，其(qi)内(nei)部(bu)采用(yong)晶格(ge)结构(gou)。 与传统(tong)方式(shi)制(zhi)造的(de)实(shi)体插入件(jian)相(xiang)比(bi)，该(gai)部(bu)件在减重66% 的同时，机(ji)械(xie)性(xing)能也得以(yi)提高(gao)。

4. 2生(sheng)物医学用(yong)钛基(ji)植(zhi)入体的(de)个性(xing)化(hua)定制(zhi)

钛合(he)金及(ji)其(qi)复(fu)合材(cai)料因其高比强度、优(you)良的生物相容性(xing)和较低的弹(dan)性模量(与骨(gu)骼(ge)接(jie)近) 而(er)广(guang)泛(fan)应用于生物医(yi)学(xue)领(ling)域(yu)。 由(you)于医用金(jin)属制件个(ge)性化(hua)程度较(jiao)高，且具有小批(pi)量(liang)、形状(zhuang)复杂(za)等特(te)点，传(chuan)统(tong)的(de)制(zhi)造(zao)方(fang)式(shi)很难满足要(yao)求(qiu)。 基于数字(zi)化(hua)、柔性(xing)化(hua)、可(ke)设(she)计(ji)的(de) SLM 3D 打印(yin)技(ji)术则(ze)非常适(shi)合(he)制(zhi)备(bei)生(sheng)物(wu)医(yi)用(yong)钛(tai)合金(jin)构件(jian)，为个(ge)性(xing)化(hua)医疗(liao)提(ti)供了(le)可能性(xing)。 德国(guo)亚琛大(da)学(xue)附(fu)属医院 Hollander 等［70］研(yan)究(jiu)发现(xian)，采用(yong) SLM 3D 打印(yin) TC4 钛合(he)金脊(ji)椎骨植(zhi)入体在(zai)人(ren)体(ti)内(nei)具有较(jiao)好(hao)的(de)生物(wu)相(xiang)容(rong)性。 澳(ao)大(da)利(li)亚埃迪(di)斯(si)科文(wen)大学 Zhang 等对 β 型医用钛合金 Ti2448进(jin)行(xing)了 SLM 3D 成形工艺研究(jiu)，可(ke)直接制备(bei)出致密(mi)度(du) 99% 以上(shang)的(de)复(fu)杂(za)形(xing)状髋臼窝(wo)植入(ru)体［71］和支架样件(jian)［72］。

近年来，国(guo)内(nei)对(dui)于 SLM 3D 打(da)印技术(shu)的(de)生(sheng)物(wu)医(yi)学应用(yong)研(yan)究也开(kai)展(zhan)了大(da)量工作。 华南理(li)工(gong)大学杨永强(qiang)教(jiao)授课题(ti)组通(tong)过(guo)个(ge)性(xing)化(hua)颅(lu)骨修复设计，采(cai)用 SLM 3D 打印(yin)技术成形(xing)了(le)基于形控单元函数(shu)映(ying)射(she)的多孔(kong) TC4 钛合金(jin)颅(lu)骨修复体并试(shi)用(yong)于(yu)临床。

第四(si)军医(yi)大(da)学唐都医(yi)院(yuan)联(lian)手西安铂力(li)特(te)公(gong)司(si)利(li)用SLM 3D 打(da)印技(ji)术(shu)实(shi)现了(le)钛合金胸(xiong)骨(gu)的(de)定(ding)制，并(bing)将其(qi)成(cheng)功(gong)植(zhi)入胸骨肿瘤患者体内，实现病(bing)变胸(xiong)骨(gu)的整体置换，(图 13(b) 所示(shi))。 3D 打(da)印(yin)胸(xiong)骨(gu)参(can)数(shu)与(yu)理(li)论值(zhi)基(ji)本一致(zhi)，且两侧分布有金属 3D 打(da)印特(te)有(you)的(de)多孔结构(gou)，使(shi)肌(ji)肉、肌腱(jian)等(deng)软组织贴(tie)附(fu)和骨(gu)长(zhang)入(ru)率(lv)大(da)幅提高。 2018 年 2 月 7 日，华钛(tai)三维与南方(fang)医(yi)院脊柱(zhu)骨外科联合莫(mo)纳(na)什大学增材(cai)制造研(yan)究中心(xin)合作(zuo)的首例 3D 打(da)印个(ge)性化“人工(gong)椎(chui)体/腰间(jian)盘(pan)”植(zhi)入(ru)手(shou)术成(cheng)功实(shi)施。

作为(wei)增材制(zhi)造(zao)技(ji)术中的(de)新成(cheng)员(yuan)，SLM 3D 打(da)印技(ji)术(shu)在(zai)钛合(he)金及(ji)其复(fu)合材(cai)料(liao)方(fang)面的(de)工程(cheng)应(ying)用(yong)研(yan)究(jiu)尚(shang)不到 10 年(nian)，目(mu)前在(zai)该领(ling)域还缺(que)乏(fa)完善的技术标(biao)准体(ti)系，对(dui)航(hang)空航天(tian)用高性(xing)能构件的地(di)面(mian)考(kao)核(he)尚(shang)未(wei)系(xi)统(tong)展(zhan)开，在(zai)生(sheng)物医学植(zhi)入(ru)体应用(yong)方(fang)面仍缺(que)乏相关(guan)的(de)认(ren)证(zheng)许可。

5、展望(wang)

作为(wei)一(yi)种新(xin)型的(de)激光增材(cai)制(zhi)造技(ji)术，选区激光(guang)熔(rong)化(hua) 3D 打(da)印技术(shu)在(zai)近几(ji)年(nian)得到(dao)迅速发(fa)展，在(zai)设备(bei)制(zhi)造方(fang)面(mian)，SLM 设(she)备朝着(zhe)多光(guang)束(shu)、集成化(hua)、大(da)尺(chi)寸成(cheng)形和高效(xiao)率(lv)制造(zao)方向发(fa)展(zhan)，在(zai)材料制(zhi)备(bei)方(fang)面(mian)，对钛(tai)合(he)金(jin)、铝合(he)金、不锈钢和高温(wen)合金(jin)等(deng)展开(kai)了(le)广泛(fan)研究(jiu)，尤其(qi)是对钛(tai)合(he)金的(de)研(yan)究(jiu)较为(wei)深入(ru)，目(mu)前(qian)主要(yao)侧重于通(tong)过改(gai)变 SLM 工(gong)艺(yi)参数和后续热处理(li)来调控(kong) SLM 成形(xing)件(jian)的组织(zhi)和性(xing)能，部分(fen)构件(jian)已经在航空航天(tian)和生物(wu)医(yi)疗(liao)领域(yu)获(huo)得了初(chu)步(bu)应(ying)用，但由(you)于选区激(ji)光熔(rong)化 3D 打(da)印钛合(he)金及(ji)其(qi)复(fu)合材(cai)料涉及复杂的冶金(jin)、物理、化学(xue)和(he)热(re)力(li)耦(ou)合(he)等问(wen)题，且(qie)各工艺参数(shu)之(zhi)间(jian)的(de)相(xiang)互匹配关(guan)系(xi)非常复(fu)杂，目(mu)前尚有许(xu)多(duo)关(guan)键(jian)科学问题(ti)和技(ji)术(shu)问(wen)题有待进一步研(yan)究(jiu)突破，主要(yao)包(bao)括(kuo)以下(xia)几(ji)方(fang)面。

1)进(jin)一(yi)步(bu)研究 SLM 成形过程(cheng)中激光束与(yu)粉体的交互(hu)作(zuo)用机(ji)理以及(ji)激(ji)光熔池的非(fei)平衡(heng)冶(ye)金(jin)机制，控(kong)制(zhi)球(qiu)化(hua)效(xiao)应(ying)、孔洞(dong)、熔合不(bu)良(liang)和微裂(lie)纹(wen)等内(nei)部缺陷(xian)。

2)解(jie)析 SLM 成(cheng)形(xing)过(guo)程(cheng)中组织(zhi)结(jie)构(gou)和残(can)余(yu)应(ying)力的演化规律，深入理(li)解(jie) SLM 结构件的强韧化(hua)机(ji)理(li)，建立(li)并(bing)完善(shan)“材料(liao)制(zhi)备(bei) － 组(zu)织结(jie)构 － 性(xing)能”之(zhi)间的对应(ying)关系(xi)。

3)系(xi)统研(yan)究(jiu)面(mian)向(xiang)航空(kong)航天和(he)国(guo)防等(deng)特(te)殊服(fu)役(yi)环境(jing)应用(yong)的 SLM 成(cheng)形(xing)件的低(di)周疲(pi)劳性能(neng)和(he)高温(wen)力(li)学(xue)性能，揭示其失(shi)效机(ji)制(zhi)。

4)开(kai)发(fa)适(shi)用于(yu) SLM 工艺的钛(tai)基(ji)复合材料(liao)专用(yong)粉末(mo)，深(shen)入研(yan)究(jiu) SLM 快速熔(rong)化(hua)和凝(ning)固(gu)过程(cheng)中材料的(de)原位反应(ying)机(ji)理及(ji)其对组(zu)织(zhi)结(jie)构(gou)与性(xing)能的影(ying)响规律(lv)。

5) 基(ji)于(yu)理(li)论计(ji)算 － 实验(yan) － 数据库一体化的(de)新技(ji)术路(lu)线(xian)，推进(jin) SLM 3D 打印技(ji)术在材(cai)料基因组(zu)计(ji)划条件下(xia)高(gao)通(tong)量成分(fen)设计、制备(bei)和热(re)处(chu)理(li)工艺等(deng)方(fang)面(mian)的优化(hua)研究，为(wei)实现对成形件成(cheng)分、组(zu)织(zhi)结构(gou)与(yu)性(xing)能(neng)的(de)精(jing)确调(diao)控和高(gao)效低(di)成本制(zhi)备(bei)奠(dian)定(ding)理(li)论与技(ji)术基(ji)础(chu)。

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相(xiang)关(guan)链(lian)接