钛合金具(ju)有(you)高比(bi)强度(du)、比刚(gang)度(du)和(he)良(liang)好(hao)的耐(nai)腐(fu)蚀性能(neng)，是(shi)大(da)型(xing)民用客机不(bu)可(ke)或缺的(de)结构(gou)材(cai)料之(zhi)一 [1] ，其中(zhong)双(shuang)相(xiang)TC4合(he)金(jin)是(shi)钛(tai)合金(jin)中应(ying)用最为(wei)广泛的合(he)金体系(xi)，在民(min)机制(zhi)造中发(fa)挥着(zhe)重(zhong)大(da)作(zuo)用 [2-3] 。增(zeng)材(cai)制(zhi)造作为21世纪(ji)发(fa)展(zhan)最为(wei)迅(xun)速(su)的(de)技术(shu)之一(yi)，其(qi)无需(xu)模(mo)具、高(gao)效(xiao)快(kuai)速(su)的(de)技(ji)术(shu)优(you)势(shi)，在民(min)用航空(kong)等多(duo)个领域(yu)获(huo)得了迅猛的发展 [4-7] 。而(er)选(xuan)区激光熔(rong)化Selective Laser Melting，SLM）成(cheng)形钛(tai)合金(jin)在(zai)制(zhi)备(bei)轻量(liang)化、结(jie)构功(gong)能一(yi)体化复(fu)杂精(jing)密构件中(zhong)优(you)势(shi)显著(zhu) [8-10] ，在(zai)大型民用客(ke)机的机(ji)体(ti)结(jie)构、航(hang)空(kong)发动机和(he)机(ji)载(zai)系统中得(de)到(dao)了大量(liang)的(de)实(shi)践(jian)应(ying)用(yong)。
钛(tai)合(he)金(jin)粉末是(shi)选(xuan)区激(ji)光熔(rong)化成形钛(tai)合金(jin)构(gou)件的(de)基(ji)础(chu)，其理(li)化(hua)特(te)性影(ying)响(xiang)着增材制造(zao)制(zhi)件(jian)的(de)性(xing)能 [11] 。
尤其在(zai)民用航(hang)空领域(yu)对钛合(he)金构(gou)件性(xing)能(neng)高(gao)稳(wen)定性和(he)高(gao)可靠(kao)性的要求下(xia)，对(dui)于所(suo)使用(yong)的(de)钛合(he)金(jin)粉末材(cai)料(liao)的(de)理(li)化(hua)特性、质量(liang)控(kong)制以(yi)及(ji)使用过程(cheng)必然会(hui)提(ti)出更(geng)高、更(geng)严(yan)的要求(qiu)。对(dui)钛(tai)合(he)金粉末的(de)制(zhi)造(zao)、处理、检(jian)测(ce)评(ping)价和(he)使(shi)用(yong)过(guo)程(cheng)的(de)全流(liu)程管(guan)控(kong)，建(jian)立(li)评(ping)价(jia)标准，有助于进(jin)一步推动(dong)选区激光(guang)熔(rong)化(hua)钛合金(jin)在民机(ji)领域(yu)的(de)应用 [12] 。其次，民机研制中对增(zeng)材制造多元(yuan)金属(shu)材(cai)料(liao)、多种服役零件(jian)的需(xu)求(qiu)逐渐增大(da)，增材制造在(zai)民(min)机(ji)领域(yu)的(de)快(kuai)速发展带动(dong)了(le)球形(xing)金属粉(fen)末日益(yi)增加的需求 [13-14] ，因此(ci)高(gao)效制备(bei)高品质增材(cai)制(zhi)造专(zhuan)用(yong)粉(fen)末成为突破(po)增材(cai)制(zhi)造(zao)民机(ji)领(ling)域(yu)应(ying)用(yong)，实现(xian)产能(neng)升级的关(guan)键(jian)之一(yi) [15] 。
综述以民机领(ling)域(yu)增(zeng)材(cai)制造(zao)用(yong)适航(hang)级钛合金(jin)粉末(mo)材(cai)料为(wei)对(dui)象，对粉(fen)末(mo)的(de)制备工艺(yi)、理(li)化(hua)性能(neng)检(jian)测及评价(jia)指(zhi)标(biao)进行梳理(li)分析，并(bing)阐(chan)述了(le)增(zeng)材(cai)制(zhi)造(zao)钛(tai)合(he)金粉末(mo)的适航符(fu)合性(xing)研究(jiu)进(jin)展(zhan)，重(zhong)点(dian)介绍(shao)了(le)民(min)机(ji)领(ling)域中关注的粉(fen)末原(yuan)材(cai)料质(zhi)量(liang)控(kong)制(zhi)要求(qiu)与重(zhong)复利(li)用研(yan)究(jiu)进展(zhan)，列(lie)举了(le)目前已经实(shi)现民机领域(yu)应用的(de)案(an)例(li)，并(bing)提(ti)出制约(yue)增材(cai)制造(zao)金属粉(fen)末(mo)材(cai)料在(zai)民机进一(yi)步批(pi)产应(ying)用的瓶(ping)颈和挑(tiao)战(zhan)。
1、民(min)用航(hang)空增(zeng)材制(zhi)造用(yong)钛合金(jin)粉(fen)末(mo)的(de)制(zhi)备(bei)与发展(zhan)现状(zhuang)
1.1 钛合(he)金(jin)粉末制备(bei)技(ji)术原(yuan)理(li)与发(fa)展(zhan)现状(zhuang)
粉(fen)末(mo)原(yuan)材料作为(wei)民机增(zeng)材(cai)制(zhi)造零件的(de)最(zui)小单元(yuan)，是实(shi)现民机钛(tai)合(he)金零(ling)件高(gao)质(zhi)量和高(gao)稳定(ding)性(xing)的前(qian)提(ti)，其品(pin)质和批次稳定性(xing)直(zhi)接决(jue)定着增材制(zhi)造产品能(neng)否(fou)满足(zu)适航(hang)认(ren)证的(de)要求(qiu)，粉末原材(cai)料(liao)也是(shi)增材(cai)制(zhi)造在(zai)适(shi)航认(ren)证过程(cheng)中(zhong)不(bu)可或(huo)缺的一(yi)环。目前(qian)钛合(he)金粉(fen)末(mo)制(zhi)备的工艺(yi)主要(yao)有(you)电极(ji)感应熔炼气雾化（Electrode Induction Melting Gas Atomization，EIGA）技(ji)术(shu)、等离子雾化（Plasma Atomization，PA）和等(deng)离子(zi)旋(xuan)转电(dian)极(ji)雾(wu)化（Plasma Rotating ElectrodeProcess，PREP）三种。三种(zhong)粉末制备工(gong)艺(yi)的原(yuan)理以及(ji)特(te)点如图(tu)1和表(biao)1所(suo)示。图(tu)2为(wei)利(li)用(yong)上(shang)述三(san)种(zhong)工艺制(zhi)备(bei)的粉末(mo)形(xing)貌(mao)。
钛(tai)合(he)金粉末(mo)是(shi) 3D打印适(shi)航(hang)认证(zheng)的(de)重(zhong)要基础(chu)，其(qi)成分(fen)、品(pin)质(zhi)和(he)批(pi)次(ci)稳(wen)定(ding)性直接(jie)决定(ding)着(zhe)3D打(da)印产(chan)品能(neng)否满足(zu)适航要求(qiu)。等(deng)离(li)子(zi)旋(xuan)转电极雾(wu)化（PREP）细粉收(shou)得(de)率(lv)低，因(yin)此该(gai)工(gong)艺制备的(de)粉末(mo)主要适用于LMD工艺。而目前国(guo)际适(shi)航级(ji)高品(pin)质主流(liu)钛(tai)合金粉(fen)末(mo)均(jun)采用(yong)电(dian)极感(gan)应熔炼(lian)气(qi)雾化（EIGA）和(he)等离(li)子(zi)雾(wu)化（PA）技术制(zhi)备。
目前(qian)，国(guo)外在钛(tai)合(he)金(jin)粉末(mo)制备(bei)技术以及质量控制(zhi)上(shang)处(chu)于领跑地(di)位，其(qi)中美国(guo)GE公司(si)在(zai)2016年收购了AP&C公(gong)司(si)，采(cai)用的PA工(gong)艺(yi)制备(bei)的钛(tai)合金粉末(mo)，能(neng)够(gou)实(shi)现(xian)年产钛(tai)合金粉末(mo)1 000 t以上(shang)，粉末细粉收(shou)得率大于70%，粉末球形(xing)度(du)好(hao)、氧含量低，已(yi)成(cheng)为空客、波音、GE 的(de) 3D 打印(yin)原(yuan)材料指(zhi)定供(gong)应(ying)商；美(mei)国(guo) Carpenter、Praxair、Hoeganaes 公司(si)、瑞士 Oerlikon 公(gong)司(si)、英国LPW technology、瑞典(dian)Sandvik公(gong)司(si)等(deng)均(jun)针(zhen)对增材制(zhi)造用(yong)钛合金粉末(mo)建(jian)立(li)了技术研(yan)发及(ji)批(pi)量(liang)制造能(neng)力。
近几年，国内(nei)钛合(he)金(jin)粉(fen)末的制(zhi)备厂(chang)商在(zai)高品(pin)质(zhi)钛(tai)合金粉(fen)末的制备技(ji)术上也取(qu)得了阶(jie)段性进(jin)展(zhan)，基(ji)于(yu)EIGA技(ji)术(shu)，通过(guo)熔炼(lian)工(gong)艺(yi)和(he)高(gao)效雾化(hua)喷(pen)盘设(she)计(ji)优化(hua)，实(shi)现(xian)钛合(he)金细(xi)粉收得(de)率接(jie)近(jin) 60%，接近国外先进水(shui)平。目(mu)前(qian)增(zeng)材(cai)制(zhi)造钛合金粉末制造商呈(cheng)现(xian)“百(bai)花齐放(fang)”现(xian)象，江苏(su)威拉里、中(zhong)天(tian)上材、飞(fei)而(er)康、金雾(wu)、中(zhong)航迈(mai)特等制(zhi)粉单位(wei)陆续完(wan)成(cheng)制粉(fen)关(guan)键(jian)技术(shu)攻关和装(zhuang)备优(you)化(hua)设(she)计，进(jin)入(ru)大众(zhong)视野。
1.2 增(zeng)材(cai)制(zhi)造用钛合(he)金粉(fen)末(mo)的检(jian)测与(yu)评价方(fang)法(fa)
有(you)别(bie)于其他(ta)形态的钛(tai)合金原(yuan)材(cai)料，粒(li)径(jing)分布(bu)、流(liu)动性、颗(ke)粒形(xing)态、密度等(deng)成(cheng)为增材(cai)制造用(yong)钛(tai)合金(jin)粉(fen)末特(te)有(you)的理(li)化特性(xing) [19] 。这(zhe)些(xie)特(te)有的理化特(te)性(xing)影响(xiang)着(zhe)增材制(zhi)造(zao)的(de)工(gong)艺(yi)过程(cheng)，例如(ru)铺(pu)粉(fen)质量(liang)，从而(er)最终(zhong)影响着(zhe)增材制造制件(jian)的力(li)学(xue)性(xing)能(neng)。因(yin)此(ci)，正向识(shi)别(bie)粉末(mo)原材料(liao)的(de)关键理(li)化特(te)性(xing)，建(jian)立评价方法和检测(ce)标准，是民用航空增(zeng)材制造(zao)金属粉(fen)末应用过(guo)程(cheng)中关注(zhu)的重(zhong)点(dian)之一。
目(mu)前针对金(jin)属粉(fen)末材(cai)料(liao)的检测(ce)，也(ye)已(yi)经(jing)形成了检测的(de)方(fang)法和(he)标(biao)准。其中(zhong)，流动性作为金属(shu)粉末一项(xiang)综(zong)合(he)工艺性(xing)能指(zhi)标，对(dui)于(yu)增(zeng)材(cai)制(zhi)造(zao)工艺(yi)尤(you)其(qi)是粉(fen)末(mo)床 SLM 工(gong)艺(yi)影响(xiang)显(xian)著(zhu)，其(qi)直接关乎(hu)粉(fen)层铺(pu)粉的均匀性以及(ji)打印中的实(shi)际层厚(hou) [20] 。对(dui)激光送(song)粉（Laser Melting Deposition，LMD）工(gong)艺(yi) ，粉末的(de)流(liu)动性直(zhi)接影响(xiang)粉(fen)末(mo)输送(song)的流畅(chang)度(du)和送(song)粉精(jing)度。对(dui)于粉(fen)末流动(dong)性的检(jian)测(ce)方法有漏(lou)斗法和(he)安(an)息(xi)角(jiao)法 [21] ，GB/T 1482-2010 和(he) GB/T 11986-1989 分(fen)别规(gui)定(ding)了上(shang)述两种(zhong)方法的检测(ce)要求(qiu)。ASTM 协会(hui)发(fa)布(bu)了(le) ASTM B213《使用(yong)霍尔(er)流(liu)量(liang)计金(jin)属(shu)粉末流(liu)量(liang)的标准试验方(fang)法(fa)》，规(gui)定了粉末(mo)流动性(xing)的(de)检测(ce)方(fang)法(fa)。
粉末的(de)粒径分(fen)布与(yu)流动(dong)性相(xiang)关联，粒(li)径过(guo)小，比表(biao)面积(ji)增加(jia)，粉末(mo)容(rong)易(yi)团聚，降(jiang)低流动(dong)性(xing)。粒(li)径(jing)过(guo)大(da)，在(zai)铺粉(fen)时(shi)则(ze)会(hui)存(cun)在较(jiao)大的颗(ke)粒(li)间(jian)隙，缺乏粉(fen)末(mo)填充(chong)而(er)造(zao)成致密度降低 [22] 。目前用(yong)于(yu)SLM成形的粉(fen)末粒(li)径建(jian)议(yi)为0~53 μm，但(dan)根(gen)据SLM设(she)备粉(fen)末(mo)输(shu)送(song)原理(li)的不同，对(dui)于(yu)上送(song)粉设备，更(geng)推(tui)荐(jian)使(shi)用粉末(mo)粒径在(zai)15~53 μm。对于金属粉(fen)末的(de)粒径(jing)检测(ce)方法(fa)有(you)：筛(shai)分(fen)法(fa)、激光粒(li)度(du)法(fa)、动(dong)态(tai)颗粒图像(xiang)分(fen)析(xi)法 [23] 。检(jian)测标(biao)准有(you) ASTM B822、GB/T 1480-2012《金属(shu)粉(fen)末干(gan)筛(shai)分(fen)法(fa)测定(ding)粒度(du)》、GB/T 19077-2016 《粒度分布激光衍射(she)法(fa)》等。除了(le)流动性与(yu)粒(li)径分(fen)布，粉(fen)末形貌也(ye)影(ying)响(xiang)着粉末(mo)的工艺表现与(yu)成(cheng)形(xing)性能，从(cong)而影(ying)响增材(cai)制造(zao)质量的要(yao)素之一。如球形(xing)度(du)，非(fei)球(qiu)形粉末(mo)会(hui)导(dao)致粉(fen)层中(zhong)未填(tian)充区域(yu)增多(duo)，从而(er)降(jiang)低铺(pu)粉密度，并(bing)且(qie)激光(guang)可(ke)由非(fei)球形(xing)颗粒(li)反射(she)而被上部(bu)分粉(fen)末(mo)捕(bu)获，造成下层(ceng)粉末接(jie)收到(dao)的激光能(neng)量降低(di)。粉末(mo)的(de)典型(xing)缺(que)陷(xian)有(you)“空(kong)心粉(fen)”[24] 和(he)“卫星球”，空(kong)心粉是(shi)在气(qi)雾(wu)化(hua)中，粉末(mo)液滴(di)在未(wei)发(fa)生(sheng)球(qiu)化时(shi)先(xian)凝固(gu)，过程中可(ke)能由于气(qi)流(liu)紊乱(luan)，氩(ya)气(qi)进(jin)入(ru)颗粒(li)内部(bu)，或(huo)者由于粉(fen)末脱气(qi)不完全，由表面(mian)吸(xi)附(fu)的(de)氩(ya)气(qi)形(xing)成(cheng)。空(kong)心(xin)粉末(mo)的存(cun)在(zai)会导(dao)致成形(xing)件内(nei)部出(chu)现(xian)孔(kong)隙缺(que)陷(xian)，形(xing)成(cheng)裂(lie)纹源等。卫星(xing)球则(ze)是(shi)在(zai)气体(ti)雾(wu)化过程中雾(wu)化(hua)熔滴粒度(du)分(fen)散，小(xiao)熔(rong)滴运(yun)动速率与(yu)凝固速(su)率较快，与(yu)液(ye)态(tai)/未完全(quan)凝(ning)固的(de)大(da)熔(rong)滴(di)发(fa)生碰撞(zhuang)，随(sui)后(hou)熔(rong)滴之(zhi)间(jian)发生熔(rong)结，大熔(rong)滴(di)凝(ning)固后(hou)，形成小(xiao)颗粒(li)粘结在大(da)颗(ke)粒(li)表面，形成(cheng)卫(wei)星(xing)球(qiu) [25] ，如(ru)图(tu)4所示(shi)。粉末形貌(mao)的(de)检(jian)测方法为显(xian)微镜法、扫(sao)描电镜 SEM 法以(yi)及(ji)工业计(ji)算机层析成像（CT）法(fa) [26] 。图(tu)5为TC4钛合金粉末的理(li)化特性(xing)分(fen)类(lei)以及(ji)检测(ce)方(fang)法的梳理(li)汇(hui)总。
2 、增材制造(zao)钛合(he)金(jin)粉末(mo)材料(liao)的适航符(fu)合(he)性(xing)研(yan)究(jiu)进展(zhan)
民(min)机制(zhi)造(zao)中(zhong)使(shi)用的(de)材(cai)料和(he)制造(zao)方(fang)法必(bi)须经过(guo)适航(hang)认证，才(cai)可(ke)以装(zhuang)机(ji)应(ying)用(yong) [27] 。在(zai)进行民航规章(zhang)CCAR25-R5 中(zhong)材(cai)料(liao)相关 603、613 条款(kuan) [28] 的(de)符合(he)性中，在开(kai)展材(cai)料的(de)适(shi)航(hang)符合(he)性验(yan)证(zheng)中(zhong)，材料(liao)应(ying)符(fu)合(he)某(mou)种(zhong)材(cai)料规范，材料(liao)规(gui)范保(bao)证(zheng)材料(liao)具有(you)设计资料(liao)所(suo)采(cai)用(yong)的强度性能(neng)和(he)其(qi)他(ta)性(xing)能(neng) [29] 。材(cai)料规(gui)范作为型(xing)号(hao)设计资料(liao)的(de)一(yi)部分(fen)，必须(xu)得(de)到(dao)适(shi)航(hang)审(shen)查(cha)代表的(de)批(pi)准 [30] 。增材(cai)制(zhi)造作(zuo)为(wei)近(jin)些年来(lai)逐(zhu)渐(jian)发展起(qi)来的一项新兴工艺技(ji)术(shu)，其成(cheng)形质量(liang)与稳定性受到了(le)来自材(cai)料、设备、工艺等多重变异(yi)条(tiao)件(jian)的综合(he)影(ying)响(xiang)，粉末(mo)原(yuan)材料(liao)的控制对熔化(hua)工(gong)艺过(guo)程至(zhi)关重要。
2.1 面向适航认证的(de)粉(fen)末材(cai)料(liao)规范(fan)建(jian)立
国(guo)内外组织机(ji)构如(ru)NASA、SAE、中(zhong)国适(shi)航(hang)审(shen)定中(zhong)心等都明(ming)确提(ti)出，应(ying)对增(zeng)材(cai)制造(zao)金(jin)属粉末原(yuan)材料(liao)的质量(liang)进行(xing)控(kong)制(zhi)，其控制要素应至(zhi)少包括(kuo)：化学(xue)成(cheng)分(fen)、粒(li)径(jing)、流(liu)动(dong)性以及粉(fen)末的形貌等，需(xu)通(tong)过建立材(cai)料(liao)规范实现(xian)对(dui)原材(cai)料(liao)的(de)控(kong)制。在(zai)AMS 7003规范中，专门设置(zhi)3.1.6章节(jie)对粉(fen)末原(yuan)料处理和(he)储(chu)存计(ji)划(hua)进行(xing)规定。除(chu)此之外(wai)，控制粉末(mo)的制(zhi)造(zao)和(he)使用过程也(ye)是实(shi)现其(qi)质量(liang)管控的(de)必要(yao)手段之一(yi)。包括(kuo)粉(fen)末(mo)制备工(gong)艺(yi)、取(qu)样(yang)方法、批(pi)次的(de)混合(he)控(kong)制、清洁度(du)和(he)污(wu)染(ran)控制、包(bao)装(zhuang)标(biao)签(qian)和环(huan)境(jing)控(kong)制等(deng)，均会影响增材(cai)制造的(de)成(cheng)形质(zhi)量，需要通(tong)过材(cai)料规范或者(zhe)工艺(yi)文件(jian)进行控制(zhi)。开(kai)展基(ji)于材(cai)料特(te)性(xing)以及工艺过程敏(min)感(gan)性(xing)研(yan)究，建立原(yuan)材料(liao)规范(fan)，是增(zeng)材(cai)制造(zao)粉末(mo)适航认证(zheng)的第(di)一(yi)步。在材(cai)料规(gui)范(fan)中(zhong)，应(ying)控(kong)制(zhi)原材(cai)料(liao)成分、微(wei)量元素(su)、杂(za)质(zhi)、成(cheng)分分布(bu)的变化(hua)和其他(ta)相(xiang)关特性(xing)。其(qi)次，对(dui)于影响(xiang)最终(zhong)零件质(zhi)量的因素，例如流动(dong)性(xing)、颗粒形状(zhuang)、粒(li)径分(fen)布（包(bao)括(kuo)粒(li)径(jing)限(xian)制）、清洁(jie)度(du)以(yi)及(ji)验(yan)收测试(shi)要(yao)求也要做(zuo)出(chu)规(gui)定。最(zui)后，还应定(ding)义批次(ci)验(yan)收测试或统(tong)计过(guo)程控制(zhi)，以确(que)保(bao)材料特(te)性不(bu)会随(sui)时间(jian)偏(pian)移。
TC4双(shuang)相钛合金根据(ju)其(qi)材料(liao)成分(fen)的(de)差(cha)异，又(you)可以(yi)分为(wei)一(yi)般TC4合金(jin)、TC4 ELI和(he)TC4 DT材(cai)料(liao)，美(mei)国汽车工(gong)程(cheng)师(shi)学(xue)会(hui) SAE 2022 年发(fa)布了关于 TC4ELI粉末的标准(zhun)，与一(yi)般(ban)钛合(he)金粉末材(cai)料(liao)的(de)成分(fen)要求相(xiang)比(bi)，对(dui)于Al, O和N进(jin)行了(le)分级要求，总(zong)体要求(qiu)是，O元素(su)的(de)含(han)量(liang)降(jiang)低(di)，不超(chao)过(guo)1.3×10 -3 ，N含量据(ju)分级的(de)要(yao)求(qiu)规定(ding)不(bu)超(chao)过 0.05% 或(huo)者 0.03%。另外(wai) ，AMS 4905中则规定(ding)了(le)对于(yu)损伤(shang)容限型(xing)钛合(he)金(jin)的(de)要(yao)求(qiu)，对(dui)于(yu)损(sun)伤(shang)容限(xian)型TC4材(cai)料而(er)言，主要(yao)是(shi)通过(guo)收窄(zhai)Al和(he)V含(han)量，下(xia)限(xian)提高，保证一定(ding)强(qiang)度，上限降低提高(gao)韧(ren)性；降低(di)O、N、C元(yuan)素(su)含量，和(he)提高(gao)Fe的含(han)量(liang)提高(gao)断裂(lie)韧(ren)性。
国内(nei)外(wai)民(min)机(ji)主(zhu)制造(zao)商(shang)以(yi)及增(zeng)材制(zhi)造(zao)供(gong)应商，都(dou)建立(li)了粉末(mo)材(cai)料(liao)的(de)工艺控(kong)制(zhi)体系(xi)，从而(er)实现(xian)对增(zeng)材制造构(gou)件质量的(de)控制。例(li)如(ru)，国外某飞机制造(zao)商，制(zhi) 定(ding) 了(le)《Titanium alloy Additive Manufactured by powder bed technology Technical Specification》规(gui)范，规(gui)范中对钛合(he)金(jin)粉(fen)末(mo)原材料(liao)理(li)化(hua)特性以及质(zhi)量控制(zhi)进(jin)行(xing)了(le)详细(xi)的规定(ding)。中国(guo)商飞在审定中心(xin)局方(fang)的指(zhi)导下(xia)，确定(ding)了(le)制粉关键工艺参数、建立(li)制粉(fen)工艺(yi)控(kong)制(zhi)文(wen)件，形(xing)成粉(fen)末质(zhi)量(liang)控制技(ji)术(shu)要求(qiu)，并建立(li)了钛合(he)金粉末(mo)原(yuan)材料(liao)规范。对制粉(fen)棒材、制粉的(de)过程参(can)数进(jin)行全面的(de)管控，例如(ru)，棒(bang)材(cai)的(de)成(cheng)分、制(zhi)粉(fen)过(guo)程(cheng)氧(yang)增(zeng)、粉末(mo)收(shou)集灌(guan)装(zhuang)中的(de)钝(dun)化处理(li)环节都有助于(yu)获取更(geng)加稳定、可控可追溯(su)的(de)粉(fen)末材(cai)料(liao)。通过“材料规(gui)范”与“工艺控制(zhi)文(wen)件(jian)”控制而制(zhi)备(bei)获(huo)取(qu)的(de)钛(tai)合(he)金(jin)粉末(mo)，完成(cheng)适(shi)航(hang)取证(zheng)，实现型号应用。
2.2 适(shi)航级钛合金(jin)粉(fen)末重(zhong)复利(li)用研究(jiu)进展
增材制(zhi)造粉末的(de)重(zhong)复利(li)用(yong)一直(zhi)一来都是民(min)用(yong)航(hang)空(kong)领(ling)域的(de)关注(zhu)重(zhong)点(dian)之(zhi)一(yi) [31] 。最大(da)的原(yuan)因是(shi)粉(fen)末(mo)重复(fu)利(li)用(yong)能(neng)够(gou)带来可(ke)观的(de)经济效(xiao)益(yi)，其次(ci)，粉(fen)末重(zhong)复(fu)利用中(zhong)涉(she)及(ji)到激(ji)光、热(re)量(liang)的综(zong)合(he)累(lei)计作(zuo)用(yong)，而带来的理化(hua)特(te)性和(he)成(cheng)形性能的(de)改变，有助(zhu)于业内(nei)更好(hao)的理解(jie)增材制造的(de)多(duo)重变(bian)异(yi)过(guo)程。突破粉(fen)末重复利用(yong)的瓶颈将是实现增(zeng)材(cai)制(zhi)造金属(shu)在民机领(ling)域爆(bao)发式应(ying)用(yong)的(de)必要条(tiao)件之(zhi)一(yi)。
NASA 在(zai) MSFC-SPEC-3717 规(gui)范指出，在满足(zu)要(yao)求(qiu)的(de)情(qing)况下(xia)，允许粉(fen)末(mo)重(zhong)复(fu)使(shi)用。国(guo)外有单(dan)位(wei)提(ti)出(chu)允(yun)许粉末重复(fu)利(li)用(yong)且不(bu)推(tui)荐重(zhong)复(fu)利用粉末超(chao)过10次(ci)。霍尼韦(wei)尔公(gong)司(si)在(zai)开展(zhan)激(ji)光增材(cai)制(zhi)造金属(shu)材料(liao)许(xu)用(yong)值开(kai)发时(shi)，将(jiang)原材(cai)料(liao)粉末(mo)重复利(li)用(yong)作(zuo)为变(bian)异性(xing)因素(su)纳(na)入考量(liang)，以实(shi)现(xian)降(jiang)低(di)粉(fen)末使用的成(cheng)本(ben)。国(guo)内(nei)民机(ji)增(zeng)材(cai)制(zhi)造(zao)中(zhong)，钛合(he)金粉末重(zhong)复利用4次也已(yi)经获得(de)适(shi)航当(dang)局(ju)的(de)批准(zhun)。掌(zhang)握(wo)钛合金(jin)粉末在(zai)重(zhong)复(fu)利用(yong)过程中(zhong)的“降解(jie)行为(wei)”的(de)差异(yi)性(xing)，有助(zhu)于为粉末的(de)重复利(li)用(yong)制(zhi)定(ding)标准(zhun)规(gui)范(fan)。在(zai)民(min)机制造(zao)中，对(dui)增(zeng)材(cai)制(zhi)造金(jin)属(shu)粉末(mo)材料(liao)的(de)重(zhong)复(fu)利(li)用重点关(guan)注两(liang)个(ge)方面(mian)：
（1）基(ji)于复杂(za)热历(li)史下的粉(fen)末(mo)重复利(li)用中(zhong)理(li)化特(te)性(xing)的演变(bian)； （2）建立(li)面向多(duo)元(yuan)复杂(za)应用(yong)需求的(de)粉(fen)末(mo)重(zhong)复(fu)利用(yong)机(ji)制(zhi)。
在钛合金(jin)粉(fen)末的(de)重(zhong)复利用(yong)过(guo)程(cheng)中(zhong)，粉(fen)末(mo)存在(zai)一(yi)定(ding)的(de)特性(xing)演变(bian)，主(zhu)要体现在(zai)化(hua)学(xue)成分、粒(li)径和(he)形貌(mao)的变(bian)化(hua)。随(sui)着(zhe)粉(fen)末(mo)重复(fu)利用的(de)进行，O、N元(yuan)素(su)含(han)量增加(jia)，Al元素(su)则(ze)出现(xian)烧损降低(di)的趋(qu)势(shi)。图6和(he)图(tu)7为(wei)“极(ji)限循环”和“按(an)比(bi)例(li)添加新粉(fen)”两(liang)种(zhong)条件(jian)下，SLM成(cheng)形(xing)钛(tai)合金粉末(mo)及(ji)制件(jian)性(xing)能的(de)变(bian)化(hua)趋(qu)势。 “极限(xian)循环条件(jian)”下粉(fen)末(mo)和制件性能的变(bian)化(hua)更(geng)为(wei)显著(zhu)，也更(geng)容易(yi)达(da)到(dao)粉末(mo)的(de)使用极限(xian)。通过(guo)该研究说明(ming)，通过(guo)建(jian)立合理的(de)粉末(mo)重复利(li)用(yong)机制，能够提(ti)高(gao)粉末(mo)的(de)可重(zhong)复(fu)性。回(hui)收(shou)粉(fen)再(zai)利用后氧含(han)量(liang)增加的现象也(ye)在SLM超(chao)低(di)间隙TC4中得(de)到了证(zheng)实(shi) [32] 。在重(zhong)复利(li)用(yong)机制(zhi)下，SLM成形(xing)TC4粉(fen)末(mo)的(de)其他(ta)特(te)性也呈现一定的变(bian)化趋(qu)势。其(qi)中(zhong)，粉(fen)末颗粒表面(mian)仅在(zai)使(shi)用(yong)次(ci)数较(jiao)多时(shi)变得更(geng)为(wei)粗(cu)糙 [33] ，球形度(du)基(ji)本(ben)无(wu)变化(hua)。随(sui)着(zhe)粉(fen)末重复(fu)利用(yong)的推进(jin)，小颗粒(li)粉(fen)末逐渐熔(rong)化(hua)凝固，粉(fen)末(mo)的粒(li)径增加， “卫星(xing)粉(fen)”逐渐(jian)消失 [6] 。
关(guan)于粉末(mo)重(zhong)复利用(yong)机(ji)制的建立(li)，在(zai) AMS 7031 “Batch Processing Requirements for the Reuse of Used Powder in Additive Manufacturing of Aero‐space Parts”规(gui)范(fan)中 [34] ，提出(chu)了(le) 5种(zhong)粉末(mo)重(zhong)复利(li)用(yong)的机制，如(ru)图8所示(shi)。这(zhe)五种机制分(fen)别是(shi)（1）单一粉(fen)末批次(ci)下(xia)，不(bu)添加(jia)新(xin)粉(fen)的(de)极(ji)限(xian)循环使(shi)用机(ji)制(zhi)； （2）每(mei)次(ci)打(da)印前(qian)，将原料(liao)与新(xin)粉混合后循(xun)环使(shi)用； （3）基于设定的(de)打印(yin)频率加满新粉后混合； （4）相同工(gong)艺历史粉(fen)末(mo)的(de)混合再利(li)用； （5）相同工艺历史(shi)的(de)粉末(mo)与(yu)添(tian)加(jia)的(de)新(xin)粉混(hun)合再(zai)利(li)用(yong)。
2.3 适航(hang)级增(zeng)材(cai)制(zhi)造(zao)钛合金(jin)粉末(mo)质量评价
面(mian)向(xiang)适航认(ren)证(zheng)需求(qiu)的钛(tai)合金(jin)粉(fen)末，在进行(xing)民(min)机型(xing)号(hao)应用(yong)推进(jin)过(guo)程(cheng)中(zhong)，其(qi)化学(xue)成(cheng)分、粉末理(li)化特(te)性的批次(ci)稳(wen)定(ding)性、粉(fen)末制(zhi)备过(guo)程(cheng)中的(de)质量控制(zhi)是影响(xiang)增(zeng)材(cai)制造成(cheng)形性(xing)能的关(guan)键(jian)指(zhi)标(biao)。其中(zhong)化学成(cheng)分(fen)作(zuo)为影响成形(xing)性(xing)能关键，尤(you)其(qi)面向当前(qian)高(gao)强高(gao)韧(ren)需求的应用(yong)背(bei)景(jing)下(xia)，通过(guo)成(cheng)分优(you)选(xuan)和设计有(you)助(zhu)于推(tui)动(dong)高强(qiang)高(gao)韧性能(neng)的(de)实(shi)现(xian)。Fuwen Chen [35] 通过研究发(fa)现，提(ti)升(sheng)TC4合金(jin)中(zhong)的(de)Fe含量(liang)，实现(xian)Fe微合(he)金化(hua)后(hou)，微量Fe的(de)加(jia)入引起(qi)了(le)β相中的(de)V和(he)Fe组(zu)分的(de)二(er)次分(fen)配(pei)，促进晶(jing)格(ge)畸变与振(zhen)动(dong)，其(qi)强(qiang)度、硬度(du)、伸长(zhang)率(lv)与传统(tong)TC4材(cai)料接近的(de)同(tong)时(shi)，其断裂(lie)韧(ren)性(xing)显著提升，达(da)到了TC4_ELI相(xiang)当(dang)，甚至优于(yu)TC4_DT。其次，Fe的(de)微(wei)合金化(hua)还(hai)会(hui)影(ying)响组(zu)织从(cong)而改善(shan)断(duan)裂韧性，其(qi)断裂韧性(xing)超过(guo)了(le)100 MPa.m 1/2 。
TC4 粉末(mo)理化特(te)性的(de)批次(ci)稳(wen)定(ding)性直(zhi)接(jie)影(ying)响到增材(cai)制造(zao)制(zhi)件(jian)的(de)性能稳(wen)定性。其中对于批(pi)次稳(wen)定(ding)性的指标(biao)应(ying)包括(kuo)对(dui)于(yu)流(liu)动性(xing)、粒(li)径(jing)分布(bu)、密度(du)等指标。粉(fen)末制(zhi)备过程中的质(zhi)量控(kong)制一方(fang)面是(shi)为了(le)保(bao)证(zheng)粉末(mo)质量(liang)的批次(ci)稳定性。另一(yi)方面(mian)，以建立(li) TC4 材(cai)料(liao)许用值(zhi)为(wei)目标(biao)，对(dui)粉(fen)末制备(bei)过程(cheng)中(zhong)母合金的质(zhi)量(liang)控制(zhi)，是实(shi)现增材制(zhi)造性能(neng)服从(cong)特(te)定分布，满(man)足(zu)材料许用值(zhi)计(ji)算(suan)的必要条(tiao)件(jian)之一。
3、 增(zeng)材制(zhi)造钛(tai)合金粉末在(zai)民机(ji)领(ling)域的应用
在(zai)国内民(min)机(ji)领域，增(zeng)材制(zhi)造(zao)技术(shu)成熟度较高的还是(shi)聚焦(jiao)在(zai)选(xuan)区(qu)激光(guang)熔化SLM成(cheng)形(xing)钛合金上，对适(shi)航(hang)级(ji)钛(tai)合金(jin)粉末及(ji)增(zeng)材制造(zao)构(gou)件制(zhi)备(bei)技术(shu)开(kai)展(zhan)了一定的研究工(gong)作(zuo)，逐步实(shi)现(xian)SLM成形钛(tai)合(he)金(jin)静强度(du)结构件在国(guo)产大型(xing)客机上(shang)的装机应(ying)用(yong)。建(jian)立静强度驱动(dong)的零(ling)件(jian)单件适航(hang)认证(zheng)路径(jing)，SLM成形的支座和(he)弯管实现装机(ji)。据(ju)统计(ji)，零件制造(zao)成(cheng)本(ben)和板材机(ji)加工(gong)相(xiang)当，材(cai)料(liao)利用率(lv)提(ti)升(sheng)50%以上(shang)，随(sui)着粉(fen)末重复(fu)利用技(ji)术(shu)的(de)进一(yi)步推(tui)进(jin)，材(cai)料(liao)利用率还将进(jin)一步提(ti)升，为(wei)今后(hou)面向增材(cai)制(zhi)造的结(jie)构(gou)正(zheng)向(xiang)设(she)计、承力件(jian)等(deng)装机(ji)应用(yong)奠(dian)定(ding)基(ji)础(chu)。批(pi)产(chan)交付(fu)中(zhong)的(de)随炉试样测试结(jie)果表明，零件(jian)的性(xing)能(neng)稳(wen)定(ding)，其(qi)离(li)散(san)系数(shu)满足(zu)Cv接(jie)近(jin)1%（部分(fen)数据(ju)），如图9所(suo)示。
在(zai)国际(ji)上，空(kong)客(ke)公司作(zuo)为(wei)在(zai)民用航(hang)空增材制造领域(yu)应(ying)用的(de)领跑(pao)者，在A330、A350民用客(ke)机(ji)上已(yi)实现超过100个图号(hao)增材(cai)制造(zao)钛(tai)合金构件(jian)的应用(yong)，支(zhi)架、舱门铰(jiao)链(lian)实现批(pi)量装(zhuang)机(ji)应(ying)用。美国(guo)GE公(gong)司(si)近年(nian)来收购(gou)多(duo)家增(zeng)材制(zhi)造(zao)材(cai)料(liao)、装备、服务公(gong)司，实现了(le)增材制(zhi)造在多(duo)型(xing)主力商(shang)用(yong)发(fa)动(dong)机(ji)系(xi)统中(zhong)批量应(ying)用(yong)。德国(guo)利勃(bo)海尔(er)公司作(zuo)为重要(yao)的机载(zai)系(xi)统(tong)供(gong)应商，针(zhen)对(dui)民机(ji)前起(qi)落架(jia)传感(gan)器(qi)支(zhi)架进(jin)行面(mian)向(xiang)3D打(da)印的拓扑(pu)优(you)化(hua)设(she)计(ji)和批量(liang)打印制造，性(xing)能(neng)提升的(de)同时(shi)实(shi)现减(jian)重(zhong)45%以(yi)上(shang)，如图(tu)10所(suo)示。
4、 制(zhi)约增(zeng)材制造(zao)金属粉末在民机批产应用(yong)的(de)瓶(ping)颈和(he)挑(tiao)战
选区激(ji)光熔化成形钛合(he)金(jin)构(gou)件(jian)已经(jing)实(shi)现在(zai)国产飞机(ji)舱门结构(gou)中(zhong)的(de)应(ying)用(yong)，实(shi)现批产交(jiao)付(fu)。在未来更多(duo)民(min)机型号、更多(duo)零(ling)件数量(liang)、不同(tong)性能(neng)需(xu)求的引(yin)领(ling)下(xia)，增材(cai)制(zhi)造金属(shu)粉(fen)末(mo)在(zai)民机(ji)领(ling)域(yu)的(de)应用存(cun)在(zai)更大(da)的空间，也(ye)面(mian)临着更大的(de)应用(yong)挑(tiao)战(zhan)。
4.1 材料成(cheng)分(fen)设(she)计实现(xian)高(gao)强高(gao)韧性能(neng)调(diao)控
目前(qian)民(min)用航空(kong)领(ling)域使(shi)用(yong)较(jiao)为成熟(shu)的(de)钛(tai)合(he)金粉末(mo)，其(qi) SLM 成(cheng)形(xing)静(jing)力(li)强度(du)满足飞(fei)机上静(jing)强度驱(qu)动(dong)的(de)非 PSE 件的(de)设计需求(qiu)，通过(guo)“单(dan)件适(shi)航”认证(zheng)的路(lu)径(jing)，已经成功(gong)实现(xian)了(le)装(zhuang)机飞(fei)行(xing)。但是面向飞机机(ji)体(ti)结(jie)构、机载系(xi)统对高强(qiang)高(gao)韧复(fu)杂(za)钛合(he)金(jin)等(deng)金(jin)属结(jie)构(gou)件的制(zhi)造和(he)应用(yong)需(xu)求 ，建(jian)立面向(xiang)损伤(shang)容(rong)限设计(ji)的零(ling)件适(shi)航认(ren)证(zheng)需(xu)求(qiu)，利(li)用高(gao)通量(liang)等(deng)方法开展增材制(zhi)造(zao)金(jin)属粉末的(de)成分设(she)计，揭(jie)示不(bu)同(tong)成分元(yuan)素对(dui)金(jin)属构件的(de)增强(qiang)增(zeng)韧(ren)机(ji)制，实现(xian)性(xing)能的精(jing)准(zhun)调控(kong)是(shi)金(jin)属(shu)粉(fen)末(mo)应用民(min)机领域的(de)趋(qu)势之一(yi)。
4.2 粉(fen)末(mo)制备(bei)过(guo)程(cheng)中的(de)质(zhi)量与缺(que)陷控(kong)制(zhi)技术(shu)
增材制(zhi)造(zao)金属(shu)粉(fen)末制备(bei)过(guo)程(cheng)也(ye)直接(jie)影响粉(fen)末理化(hua)特(te)性和工艺性能。用于(yu)SLM成(cheng)形的粉末(mo)粒(li)径较小(xiao)，目(mu)前制约粉末制备(bei)技术(shu)的难(nan)题主(zhu)要有：细粉(fen)收(shou)得率(lv)较低 [38] 、粉末低缺陷制(zhi)备(bei)和(he)评(ping)价(jia)及(ji)批(pi)次(ci)间的性能稳(wen)定性(xing)控制。因(yin)此(ci)，通过(guo)优(you)化雾(wu)化制(zhi)粉过程(cheng)中的(de)关(guan)键参(can)数，提(ti)升粉(fen)末(mo)制(zhi)备(bei)过(guo)程中的熔(rong)体过热度，基于(yu)De Laval超音速(su)喷(pen)嘴的新(xin)型雾化(hua)器(qi)结(jie)构(gou)设计等手段是(shi)用于(yu)提(ti)升(sheng)细(xi)粉收(shou)得(de)率的(de)有力(li)途径(jing) [39] 。如(ru)何(he)在(zai)粉末(mo)制(zhi)备(bei)过程中避(bi)免(mian)/减(jian)少(shao)缺(que)陷(xian)的(de)形(xing)成，是实(shi)现粉末质量和性(xing)能提升的(de)重要路(lu)径(jing)。通(tong)过降低雾化气(qi)体(ti)动能(neng)的方式(shi)可(ke)以(yi)抑制(zhi)粉(fen)末内(nei)部孔隙(xi)的形(xing)成(cheng)，从(cong)而(er)减少空(kong)心粉(fen)。而(er)在(zai)雾化制粉过程中(zhong)采(cai)用(yong)外(wai)加气流(liu)的(de)方式(shi)可(ke)避免“卫星球(qiu)”的形成。
4.3 民机领(ling)域中增材(cai)制造粉(fen)末(mo)材(cai)料的(de)质(zhi)量(liang)与成本(ben)间的(de)平(ping)衡
增材制造成(cheng)形粉(fen)末(mo)材料与(yu)传(chuan)统冷(leng)加工工艺不(bu)同，粉(fen)末(mo)的理(li)化(hua)特(te)性、增材(cai)制造(zao)非平(ping)衡的(de)工(gong)艺(yi)过(guo)程(cheng)、不(bu)同(tong)结(jie)构(gou)件(jian)制造的(de)热(re)累(lei)积、不(bu)同设备(bei)成(cheng)形(xing)性(xing)能的(de)差(cha)异(yi)性(xing)，均为增(zeng)材制造(zao)金(jin)属材料(liao)引入了(le)变(bian)异性。目(mu)前(qian)，在(zai)民机(ji)型(xing)号(hao)上应(ying)用的(de)金(jin)属粉末材料，在(zai)进(jin)入(ru)民机(ji)选用(yong)材料(liao)目(mu)录(lu)手(shou)册前(qian)，要经过(guo)大(da)量(liang)的(de)批(pi)次(ci)验证(zheng)和(he)合格鉴定(ding)来证(zheng)明(ming)其稳(wen)定(ding)性(xing)和符(fu)合性，在(zai)保(bao)证(zheng)增(zeng)材(cai)制造质(zhi)量(liang)的同(tong)时(shi)，不(bu)可避(bi)免成(cheng)本(ben)居(ju)高的现(xian)象。因(yin)此，应(ying)从以(yi)下三个方面去解(jie)决： （1）加快(kuai)增材制(zhi)造(zao)基础(chu)技术(shu)攻关，攻(gong)克材(cai)料工艺(yi)共(gong)性(xing)技术； （2）加快建立(li)通(tong)用(yong)的粉末(mo)评价标(biao)准(zhun)，实现不同(tong)来(lai)源的粉末性能数(shu)据(ju)共(gong)享通用(yong)； （3）飞机(ji)主(zhu)制造商(shang)发挥供(gong)应(ying)链链(lian)长的(de)作用，做(zuo)好(hao)供应商培(pei)育(yu)和管理(li)，与供(gong)应(ying)商共同努(nu)力(li)，建立满足民(min)机(ji)研制(zhi)需求(qiu)的(de)增材(cai)制(zhi)造(zao)金属(shu)粉(fen)末(mo)供(gong)应(ying)链(lian)。
5、 结(jie)论与(yu)展(zhan)望(wang)
综(zong)述了(le)面向(xiang)适航(hang)认(ren)证需(xu)求(qiu)的(de)增(zeng)材(cai)制(zhi)造钛(tai)合(he)金粉(fen)末的(de)制备(bei)工(gong)艺(yi)及(ji)特(te)点(dian)，从钛合(he)金粉(fen)末原材(cai)料(liao)影(ying)响制造性能的(de)特性(xing)出发，介(jie)绍了(le)粉末(mo)不同理(li)化(hua)特性(xing)的(de)检(jian)测(ce)评(ping)价方法。基于适(shi)航(hang)级钛合(he)金(jin)粉(fen)末(mo)在民(min)用(yong)航空(kong)领(ling)域(yu)的(de)应用进展(zhan)，阐(chan)述(shu)了民(min)机(ji)适(shi)航认证对(dui)于钛合金(jin)粉末(mo)的(de)质(zhi)量(liang)控制要求(qiu)，并(bing)介(jie)绍了(le)钛(tai)合金粉(fen)末(mo)的重复利(li)用研(yan)究(jiu)进展。面(mian)向(xiang)未来(lai)民(min)机型号(hao)研制的重(zhong)大需(xu)求(qiu)，激光(guang)增材(cai)制(zhi)造金(jin)属(shu)粉(fen)末(mo)在民机制造(zao)领域(yu)还(hai)存(cun)在(zai)一(yi)定(ding)的(de)应用(yong)瓶颈和(he)应(ying)用(yong)挑战，而开展以性能(neng)调控为(wei)导向的粉(fen)末(mo)成分(fen)设(she)计、攻(gong)克粉(fen)末制(zhi)备(bei)中的质(zhi)量和缺陷稳定(ding)控(kong)制(zhi)，以(yi)及解决粉(fen)末质量(liang)和成(cheng)本的平(ping)衡问(wen)题(ti)，将(jiang)是后(hou)续在(zai)民(min)用航空(kong)领域(yu)中研(yan)究和(he)发(fa)展(zhan)的(de)重(zhong)点(dian)方(fang)向(xiang)。
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