球形钛(tai)合金(jin)粉末(mo)制(zhi)备(bei)技(ji)术(shu)及航空(kong)增(zeng)材制造应用(yong)研究进(jin)展(zhan)

钛合金具有材质轻、比(bi)强(qiang)度(du)高(gao)、生(sheng)物相容(rong)性好、耐腐(fu)蚀等特(te)性(xing)，广泛(fan)应用于(yu)航空(kong)航天(tian)、医(yi)疗、化(hua)工和(he)船(chuan)舶制造(zao)等(deng)领(ling)域(yu)，其(qi)中(zhong)钛(tai)合金在(zai)航(hang)空领(ling)域的应用(yong)潜力(li)最大。钛合(he)金(jin)可(ke)用于机(ji)身(shen)蒙皮(pi)、隔(ge)框、大(da)梁、舱门(men)、起落(luo)架、翼(yi)肋、紧固件(jian)导(dao)管(guan)、拉杆等部(bu)件，除(chu)此(ci)之外，钛合(he)金在航(hang)空发动(dong)机(ji)领域也有一(yi)定(ding)的应(ying)用(yong)，可(ke)用于航(hang)空发(fa)动(dong)机的(de)转动部件(jian)，如风(feng)扇(shan)、高(gao)压(ya)压气机(ji)盘和叶(ye)片等。合格(ge)的球(qiu)形钛(tai)合(he)金(jin)粉末(mo)应具备氧含(han)量(liang)低（小于(yu)0.15%)、球(qiu)形度(du)高(gao)、松装密度(du)高(gao)、流(liu)动性(xing)好、粒度(du)细(xi)、粒径分(fen)布窄(zhai)等(deng)特(te)点(dian)，适用于增(zeng)材制(zhi)造(zao)技术（Additive manufacturing，AM）。

增材制(zhi)造(zao)是(shi)一(yi)种先(xian)进(jin)的(de)金属(shu)材(cai)料快(kuai)速成(cheng)形(xing)技(ji)术，该(gai)技术(shu)基于(yu)数(shu)字模型(xing)文件(jian)，使(shi)用(yong)金属(shu)粉(fen)末材料(liao)通(tong)过(guo)逐层(ceng)打(da)印构(gou)建制件(jian)，也称(cheng)为3D打(da)印技术(shu)[1-4]。

作为(wei)一种全新的金(jin)属(shu)材(cai)料(liao)制(zhi)造(zao)工艺(yi)[5-7]，钛合(he)金增(zeng)材(cai)制造技术(shu)在航空构件(jian)的(de)生(sheng)产应用中(zhong)具有突出的优势(shi)，主要(yao)体(ti)现在(zai)以(yi)下几个(ge)方(fang)面：缩(suo)短(duan)产(chan)品(pin)交付周期(qi)、提高(gao)材料利(li)用率(lv)、优(you)化(hua)零(ling)件结(jie)构(gou)、减轻质(zhi)量(liang)、降低(di)应(ying)力集中、增加(jia)使(shi)用寿命、便(bian)于(yu)零(ling)件的维修(xiu)和(he)成形(xing)，并且可(ke)以(yi)与传统制造技(ji)术(shu)互(hu)补(bu)。2013年，北京(jing)航空(kong)航天(tian)大(da)学(xue)采用(yong)增材(cai)制(zhi)造(zao)技(ji)术(shu)开发了歼(jian)-31战(zhan)斗(dou)机(ji)钛(tai)合金主(zhu)要(yao)承(cheng)重部件(jian)的加强框(kuang)架(jia)，与(yu)锻造(zao)技术相比，该大(da)型复(fu)杂(za)整(zheng)体(ti)部件的(de)钛(tai)合金材(cai)料利(li)用(yong)率(lv)提高了(le)5倍，制造周(zhou)期缩(suo)短(duan)了(le)2/3，成(cheng)本降低了(le)1/2[8-9]，同时，增材制造(zao)产品晶(jing)粒细(xi)小(xiao)，成(cheng)分(fen)均(jun)匀(yun)，性(xing)能(neng)优良，部(bu)件(jian)性(xing)能(neng)可(ke)逐(zhu)点(dian)控(kong)制(zhi)，没有壁厚位置(zhi)效应，减(jian)少了(le)传(chuan)统铸造(zao)和(he)锻(duan)造(zao)的宏(hong)观(guan)冶金缺陷(xian)和(he)偏(pian)析(xi)，同(tong)时摆(bai)脱了(le)传(chuan)统(tong)冶(ye)金(jin)工艺对(dui)合金成(cheng)分的(de)限制[10-13]。钛合(he)金增(zeng)材制造(zao)技术是(shi)目前(qian)最(zui)具潜力的航(hang)空(kong)构件制(zhi)造(zao)技(ji)术(shu)，值(zhi)得重(zhong)点关(guan)注(zhu)，因此，介(jie)绍(shao)了球(qiu)形钛(tai)合(he)金粉(fen)末制备技术和增(zeng)材制(zhi)造(zao)技(ji)术(shu)的特(te)点，提出了球形钛合金粉末(mo)制(zhi)备技(ji)术(shu)的发(fa)展(zhan)趋势，并(bing)为钛(tai)合(he)金(jin)增(zeng)材(cai)制(zhi)造(zao)技(ji)术在(zai)航(hang)空领(ling)域(yu)的(de)发(fa)展(zhan)提(ti)供了(le)新的(de)思(si)路。

1、球(qiu)形钛(tai)合金粉末制(zhi)备技(ji)术(shu)

目(mu)前，根(gen)据钛(tai)合金粉末的形(xing)貌特征(zheng)可将(jiang)现有(you)制备(bei)技术(shu)分(fen)为(wei)两种(zhong)，一(yi)是非球形钛(tai)粉制(zhi)备技(ji)术(shu)，包括氢化脱氢法、热(re)还(hai)原(yuan)法（以(yi)TiO2和TiCl4为(wei)原料）、熔(rong)盐(yan)电解法(fa)等(deng)，目(mu)前(qian)氢(qing)化脱氢法(fa)成本(ben)较(jiao)低，可制备(bei)微(wei)细粉末(mo)，但(dan)氧(yang)氮(dan)杂(za)质较(jiao)高(gao)，应用较(jiao)广(guang)的(de)还(hai)是Kroll法(fa)即(ji)金属Mg还(hai)原TiCl4制(zhi)备海(hai)绵(mian)钛(tai)的(de)技(ji)术(shu)，熔盐电解(jie)法(fa)虽(sui)然研(yan)究较多但(dan)还(hai)处于实(shi)验室阶段(duan)，该类型制(zhi)备(bei)技(ji)术所得(de)钛粉多为不规(gui)则(ze)形(xing)或海(hai)绵状(zhuang)；二(er)是(shi)球形粉末钛(tai)粉(fen)制备(bei)技术(shu)，包括等(deng)离子(zi)旋(xuan)转电极法(fa)、电(dian)极(ji)感应气雾(wu)化法、射频等(deng)离子(zi)球(qiu)化法、等离子(zi)旋(xuan)转电(dian)极(ji)法等[14-17]。

1.1等(deng)离(li)子旋转(zhuan)电(dian)极(ji)雾(wu)化(hua)法（PREP）

PREP方(fang)法是(shi)将钛(tai)合金(jin)制成(cheng)电极棒，然后将(jiang)其(qi)放(fang)入(ru)传动(dong)装置中，使其在惰(duo)性保护(hu)气(qi)氛(fen)中(zhong)高(gao)速离(li)心(xin)旋(xuan)转，同时通(tong)过等(deng)离(li)子(zi)弧加热(re)熔(rong)化(hua)，形成的(de)金属液膜在(zai)离(li)心(xin)力(li)的(de)作用下(xia)分(fen)散并(bing)飞(fei)离电极(ji)棒断(duan)面，最后在(zai)表面(mian)张力(li)的(de)作(zuo)用下(xia)快速凝固，形成球状钛(tai)合(he)金(jin)粉末[18-19]，其(qi)装置(zhi)的(de)示意图见图1。

由(you)于电(dian)极棒直径小（小(xiao)于等(deng)于(yu)50mm）和转(zhuan)速低，传统的PREP法(fa)制(zhi)备(bei)的(de)钛合金(jin)粉末(mo)球形(xing)度虽(sui)高，但粒(li)度(du)相(xiang)对(dui)较(jiao)粗(cu)，仅(jin)适(shi)用(yong)于(yu)激(ji)光(guang)熔(rong)覆技术（LMD）90~250μm的(de)粒(li)度要(yao)求，难以(yi)满足激(ji)光选区熔化(hua)技术(shu)和(he)电(dian)子束选区熔(rong)化对(dui)粉末粒度的要(yao)求。

研究(jiu)发(fa)现(xian)，可(ke)以(yi)通过(guo)改(gai)变电(dian)极棒(bang)直(zhi)径(jing)、转速和等离子(zi)弧电(dian)流来控制(zhi)粉末(mo)粒度，比(bi)如(ru)超高速(su)旋(xuan)转电极(ji)雾(wu)化法（SS-PREP），该方法(fa)适用(yong)于(yu)制(zhi)备激光(guang)选(xuan)区和(he)电子束(shu)选区(qu)打(da)印用钛(tai)合(he)金粉末，所(suo)得粉(fen)末球形度(du)高，粒(li)度(du)分(fen)布(bu)窄，表面(mian)干净，杂质(zhi)少(shao)，无空心(xin)粉末(mo)，流(liu)动(dong)性好；缺(que)点(dian)则(ze)是粉末(mo)制取难(nan)度高(gao)、材料利用(yong)率低[20-26]。

1.2电(dian)极(ji)感(gan)应气(qi)雾(wu)化法（EIGA）

电极(ji)感应(ying)气雾化法（EIGA）是在(zai)气(qi)体(ti)雾(wu)化法(fa)（GA）技(ji)术基础(chu)上(shang)发展而来，而(er)GA法是以(yi)海(hai)绵钛(tai)或(huo)钛合(he)金为(wei)原材(cai)料(liao)，采(cai)用高(gao)频(pin)感应线圈(quan)直接(jie)将钛合金(jin)熔化，借(jie)助高(gao)速(su)气流(liu)冲(chong)击(ji)钛(tai)合金熔融液(ye)流(liu)，将气体动能转化为(wei)液(ye)体(ti)表面能，进而形(xing)成(cheng)细(xi)小(xiao)的(de)液滴，最(zui)后冷(leng)凝为钛(tai)合(he)金(jin)粉末(mo)的工艺[27]。由(you)于采用感(gan)应加(jia)热(re)的(de)方(fang)式(shi)，避免了(le)钛合金(jin)被坩埚污(wu)染(ran)的(de)机(ji)会，因(yin)此产(chan)品(pin)纯度较高，且(qie)粉(fen)末(mo)呈(cheng)球(qiu)形(xing)，其断面(mian)呈(cheng)现极(ji)冷凝(ning)固组织，粉(fen)末晶(jing)粒(li)细(xi)。发达(da)国(guo)家(jia)对采用(yong)气体雾(wu)化(hua)法(fa)制备钛合金(jin)粉(fen)末开(kai)展(zhan)了(le)大量(liang)的(de)研究工(gong)作(zuo)，发(fa)现采(cai)用不(bu)接(jie)触坩(gan)埚(guo)的电极(ji)感应(ying)氩(ya)气(qi)雾(wu)化（EIGA）法(fa)，一定(ding)程度上保证(zheng)了粉(fen)末的(de)纯(chun)净度(du)，它(ta)是(shi)以(yi)ϕ50mm或(huo)ϕ70mm的棒材(cai)为原(yuan)料(liao)，通过锥形(xing)感(gan)应线(xian)圈(quan)将(jiang)钛(tai)合(he)金(jin)棒材的尖端(duan)熔化(hua)形(xing)成(cheng)液流，然后(hou)在(zai)高(gao)速氩(ya)气气流的(de)作(zuo)用(yong)下(xia)雾化成(cheng)粉，其装(zhuang)置的(de)示(shi)意图(tu)见图2。

1.3等(deng)离(li)子体(ti)雾化(hua)（PA）

等离(li)子体(ti)雾(wu)化(hua)技(ji)术突破(po)性地将金(jin)属熔化与氩气(qi)雾(wu)化(hua)合(he)为(wei)一(yi)体，利用等离子(zi)火焰瞬时(shi)熔化直径(jing)约3mm钛(tai)合金(jin)丝(si)材，并(bing)利用(yong)等离子火(huo)炬的(de)氩(ya)气冲(chong)量将熔(rong)融钛合(he)金液(ye)滴吹(chui)散，雾化(hua)过程无外(wai)来杂(za)质干(gan)扰，产品纯(chun)度高，采(cai)用金(jin)属(shu)丝(si)材为原(yuan)料(liao)，通过调整金属(shu)丝(si)材(cai)给进(jin)速(su)度(du)获得特定粒度(du)的高(gao)纯(chun)钛合(he)金粉(fen)末(mo)，该(gai)方法(fa)显著(zhu)提高了(le)钛(tai)合(he)金粉(fen)末(mo)产品品(pin)质(zhi)的(de)稳(wen)定性[28-32]。

1.4射频(pin)等(deng)离子球(qiu)化(hua)技术（PS）

射(she)频(pin)等(deng)离子(zi)球化技术(shu)是通(tong)过气(qi)流将(jiang)不(bu)规则(ze)的钛合金(jin)氢化脱氢(qing)（HDH）粉(fen)末(mo)通过进料枪(qiang)喷射(she)到(dao)高密(mi)度等(deng)离子(zi)火焰中，再(zai)熔(rong)化(hua)成液(ye)体颗(ke)粒，然后在(zai)球形(xing)液滴(di)的表(biao)面(mian)张(zhang)力下(xia)自发凝固(gu)成球(qiu)形(xing)颗粒，通常情(qing)况(kuang)下(xia)仍需要(yao)进(jin)行后(hou)续的(de)分选(xuan)作业和(he)二(er)次球(qiu)化(hua)处(chu)理(li)[33-36]。等(deng)离(li)子(zi)球(qiu)化技(ji)术受限于(yu)原材料非球(qiu)形(xing)粉(fen)末颗(ke)粒(li)较(jiao)少(shao)，因此(ci)目前(qian)生(sheng)产仅限(xian)纯(chun)钛、TC4等少(shao)量(liang)常(chang)规(gui)钛(tai)合金牌号(hao)，而且(qie)由于多(duo)次(ci)制粉，存在(zai)混(hun)入氧(yang)氮等(deng)杂质元(yuan)素(su)的(de)问题(ti)。

对(dui)比以(yi)上四(si)种(zhong)球形钛合金(jin)粉末(mo)制备技(ji)术(shu)（见(jian)表1），PREP和EIGA所得(de)钛合(he)金粉(fen)末(mo)球(qiu)形(xing)度(du)高、粒(li)度细、杂质含量低(di)，因(yin)此(ci)更(geng)适用于(yu)航(hang)空(kong)构(gou)件(jian)的(de)增材制造(zao)工(gong)艺(yi)。

2、钛(tai)合(he)金(jin)粉(fen)末的(de)增(zeng)材(cai)制造技术(shu)及其在航(hang)空(kong)构(gou)件(jian)制造领(ling)域(yu)的应(ying)用

钛合(he)金(jin)在(zai)航(hang)空(kong)领(ling)域(yu)的应用对(dui)提(ti)高(gao)航(hang)空(kong)发动(dong)机(ji)动(dong)力、减轻航空零部件的(de)质(zhi)量(liang)、增加航(hang)空飞(fei)行器(qi)的航程和安(an)全性提(ti)供了有效(xiao)保(bao)证(zheng)，钛(tai)合(he)金的(de)用量(liang)也逐(zhu)渐成(cheng)为(wei)飞(fei)机先进(jin)性(xing)的(de)一个(ge)衡量(liang)标准(zhun)。钛(tai)合(he)金在现代飞机(ji)上(shang)的应用(yong)范(fan)围(wei)十(shi)分(fen)广(guang)泛，飞机机(ji)身、液压(ya)管(guan)道(dao)、起(qi)落(luo)架、座舱窗(chuang)户框架、蒙皮、紧(jin)固件(jian)、舱门、机(ji)翼(yi)结构、发(fa)动机(ji)、风(feng)扇(shan)叶片(pian)、压缩机叶(ye)片等(deng)部位(wei)多采(cai)用(yong)钛合金(jin)。目前(qian)，航(hang)空钛合(he)金(jin)构(gou)件增(zeng)材(cai)制(zhi)造技术已经成为(wei)最具(ju)发(fa)展潜力的金属材料(liao)加(jia)工(gong)领(ling)域(yu)之(zhi)一(yi)。适用(yong)于航天航(hang)空(kong)领域(yu)的(de)结(jie)构(gou)件通(tong)常具有(you)复杂结(jie)构，且(qie)需(xu)要

同(tong)时(shi)具备轻质(zhi)和高(gao)强两(liang)个(ge)特点(dian)。此外(wai)，一(yi)些(xie)特(te)殊(shu)结(jie)构(gou)，例(li)如(ru)航(hang)空发动机(ji)，还(hai)要(yao)追求(qiu)大(da)载(zai)荷(he)、高可靠(kao)、长(zhang)寿(shou)命，因(yin)而要求(qiu)材料轻(qing)质(zhi)、高强(qiang)之外(wai)，结(jie)构要(yao)低(di)缺(que)陷、高稳(wen)定性(xing)。因(yin)此(ci)，相(xiang)对于(yu)传(chuan)统(tong)的(de)钛(tai)合金(jin)加工(gong)方法，增材(cai)制(zhi)造在钛(tai)合(he)金复杂(za)构件成(cheng)形(xing)方面(mian)具(ju)有明显(xian)的(de)技术优(you)势。

2.1钛(tai)合金(jin)的(de)增(zeng)材(cai)制(zhi)造技术

根据(ju)能(neng)量来源(yuan)（激光(guang)或电(dian)子(zi)束(shu)）和给(gei)粉(fen)方式的不(bu)同，球(qiu)形钛(tai)合(he)金粉末(mo)在(zai)航空(kong)增(zeng)材制造(zao)的应(ying)用(yong)可(ke)分(fen)为(wei)激光(guang)选(xuan)区熔(rong)化（SLM）、电子(zi)束选区(qu)熔化（EBSM）和(he)激光(guang)融(rong)化沉(chen)积(ji)（LMD）[37-45]。三(san)种(zhong)增(zeng)材(cai)制造技术(shu)特(te)征及其(qi)对钛(tai)合金(jin)粉(fen)末的(de)粒径要(yao)求(qiu)如(ru)表2所(suo)示(shi)，对比(bi)三(san)种打印技术(shu)发(fa)现增材制造(zao)技术(shu)普(pu)遍(bian)存在(zai)打印精度(du)较差，打印(yin)设备成(cheng)本(ben)高，成(cheng)形(xing)效率(lv)低，另外航空(kong)部件尺寸较(jiao)大(da)，而增(zeng)材(cai)制(zhi)造(zao)设(she)备(bei)生产的部(bu)件较小(xiao)，不(bu)能满(man)足航(hang)空(kong)大部(bu)件(jian)的(de)生(sheng)产要(yao)求(qiu)，而且(qie)由于(yu)航(hang)空(kong)构(gou)件(jian)的(de)特(te)殊性，构(gou)件(jian)复杂(za)程度也超(chao)出常规(gui)构(gou)件(jian)等(deng)原因(yin)，因(yin)此(ci)增(zeng)材制(zhi)造(zao)设备高(gao)精(jing)度、高效(xiao)率和(he)大(da)型化(hua)将(jiang)是(shi)未来的发展(zhan)方向。

SLM是(shi)在(zai)激(ji)光(guang)选区(qu)烧(shao)结（SLS）的基(ji)础上发(fa)展起(qi)来的(de)，其(qi)装(zhuang)置(zhi)的(de)示(shi)意(yi)图如(ru)图3所示。在(zai)计算(suan)机(ji)辅助设(she)计(ji)（CAD）和(he)制(zhi)造的帮助(zhu)下(xia)，基(ji)于(yu)离(li)散分(fen)层叠加(jia)原(yuan)理(li)，SLM使用(yong)高(gao)能激光束将金属(shu)粉(fen)末直(zhi)接(jie)熔(rong)化(hua)成(cheng)任(ren)意复杂(za)形(xing)状(zhuang)的(de)三维金(jin)属零件(jian)，节省(sheng)了工装(zhuang)模(mo)具(ju)，并突破了零(ling)件复(fu)杂(za)性的(de)限制(zhi),是发(fa)展(zhan)最快的(de)金属(shu)增(zeng)材制(zhi)造(zao)技术之(zhi)一。在激(ji)光选区熔化(hua)技术(shu)方面，钛(tai)合金(jin)粉(fen)末的(de)非金(jin)属(shu)夹(jia)杂(za)、气体夹(jia)杂、颗(ke)粒(li)尺(chi)寸(cun)偏差(cha)和(he)合金成分(fen)偏差(cha)等都(dou)可能造成增材制造系(xi)统粉末(mo)床(chuang)中的(de)不连续(xu)扩(kuo)展，导(dao)致工艺失稳、夹杂(za)或孔洞、激光扫描(miao)直接或(huo)间(jian)接(jie)造成的(de)气体吸(xi)附(fu)导致(zhi)的孔洞、某(mou)些(xie)元(yuan)素夹杂(za)导致(zhi)的疲(pi)劳裂(lie)纹(wen)源。例(li)如粉末的球(qiu)形(xing)度会影(ying)响(xiang)粉末的流(liu)动(dong)性(xing)，进而(er)影响(xiang)粉末(mo)铺(pu)设的均(jun)匀性(xing)，导致印刷区域所有部分(fen)的(de)金(jin)属熔化不(bu)均匀，并(bing)直(zhi)接影响(xiang)最(zui)终(zhong)零件(jian)的(de)密度(du)；粉末氧含量的(de)增加将导(dao)致零件的(de)相对密(mi)度(du)和(he)拉伸(shen)强(qiang)度(du)显著(zhu)降低(di)。因(yin)此(ci)SLM用的(de)球(qiu)形(xing)钛(tai)合金要求粉末粒(li)径(jing)为(wei)15~60μm，空心(xin)粉(fen)含量(liang)不大(da)于(yu)2%，球(qiu)形(xing)度不小(xiao)于0.9，氧(yang)含量(liang)低(di)，流动(dong)性(xing)好(hao)，松装密度(du)不应(ying)低于1.9g/cm³，振(zhen)实(shi)密度不应(ying)低于(yu)2.3g/cm³，同(tong)时，化(hua)学(xue)成(cheng)分(fen)应符合(he)GB/T3620.1-2016《钛(tai)及(ji)钛合金(jin)牌(pai)号(hao)和化学成(cheng)分》的(de)要求(qiu)。

激(ji)光功率、扫(sao)描速度(du)和(he)舱(cang)口距(ju)离(li)是(shi)决定最(zui)终SLM产(chan)品(pin)性(xing)能(neng)的三个(ge)重(zhong)要工(gong)艺参数。在950~1050℃的温(wen)度(du)范围(wei)内(nei)退(tui)火后，由于冷(leng)却时α马氏(shi)体(ti)相(xiang)的(de)存在(zai)，样品(pin)的强度(du)有(you)所提(ti)高(gao)。与其(qi)他(ta)制(zhi)造(zao)方法(fa)相(xiang)比，SLM加工的(de)钛(tai)合(he)金硬度(du)值(zhi)增加(jia)了(le)15%~30%，抗(kang)拉强(qiang)度值提高(gao)了(le)10%~20%。试样(yang)的构建(jian)方(fang)向对拉(la)伸(shen)性能的(de)影响较(jiao)小(xiao)。石(shi)墨(mo)烯/氧化(hua)锆(gao)的加(jia)入(ru)使Ti64SLM合金的强度(du)和硬度(du)有(you)了显著(zhu)的提高(gao)[46]。

在SLM过程中通过(guo)原位(wei)反应(ying)生(sheng)成(cheng)针(zhen)状(zhuang)TiB、晶须TiB和粒(li)状TiC。选(xuan)择(ze)性(xing)激(ji)光熔化试(shi)样(yang)的(de)显微硬度随(sui)B4C含(han)量(liang)的增(zeng)加而增(zeng)加(jia)。B4C为0.05%时，SLM成(cheng)形(xing)试(shi)样(yang)的抗压强(qiang)度(du)、抗(kang)压(ya)应(ying)变(bian)、抗(kang)拉(la)强(qiang)度(du)和伸长(zhang)率(lv)分别为(wei)2021MPa、29.98%、1225MPa和14.17%。试(shi)样的抗(kang)拉(la)强度、抗压强度和应(ying)变(bian)均有增(zeng)加的趋势(shi)[47]。蔡小(xiao)叶(ye)等(deng)研(yan)究(jiu)分析激(ji)光选(xuan)区(qu)熔化(hua)成(cheng)形(xing)TA15钛合(he)金试(shi)样(yang)室(shi)温动(dong)态(tai)疲(pi)劳性(xing)能，疲(pi)劳(lao)寿命数据具有(you)一定(ding)的(de)分(fen)散(san)性(xing)，产(chan)生疲(pi)劳(lao)分(fen)散性的主要原(yuan)因(yin)是(shi)选区激光熔化(hua)成形(xing)过(guo)程(cheng)，金属粉末在高(gao)能(neng)量激(ji)光(guang)的作用下(xia)快速(su)熔(rong)化冷却，在制(zhi)件(jian)内部(bu)随(sui)机(ji)出现搭接(jie)不良、气(qi)孔(kong)、未熔粉(fen)末等缺(que)陷所(suo)导(dao)致(zhi)[48]。

与激(ji)光选区(qu)熔化(hua)相比，电(dian)子(zi)束(shu)的穿(chuan)透(tou)能力(li)更强(qiang)，可(ke)以熔化(hua)更厚(hou)的粉(fen)末(mo)层，其(qi)装(zhuang)置的(de)示(shi)意(yi)图如(ru)图(tu)4所(suo)示(shi)。在EBSM工艺(yi)中，粉末层厚(hou)度可(ke)超(chao)过75μm，甚至(zhi)达(da)到200μm，并(bing)在(zai)保持(chi)沉(chen)积效率的同时(shi)保证良好(hao)的层间(jian)结(jie)合(he)质量，粉末粒(li)径(jing)范围为(wei)45~105μm，降(jiang)低(di)了粉末(mo)耗材成本(ben)。Wang等(deng)采用电(dian)子(zi)束(shu)选(xuan)择(ze)性(xing)熔(rong)融法(fa)制备了近α钛(tai)合金(jin)TA15（Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V）试(shi)样，研(yan)究了其在773~1023K的高温拉(la)伸变形行(xing)为(wei)，认为(wei)EBSM制(zhi)造的(de)TA15样品(pin)在中温(wen)条件(jian)下具(ju)有(you)优异的(de)力(li)学性能[49]。

Yang等(deng)采用电(dian)子束(shu)选(xuan)择(ze)性熔(rong)炼(lian)法（EBSM）制(zhi)备(bei)了(le)Ti6.5Al2Zr1Mo1V合金，研(yan)究(jiu)了(le)不同工艺参数下Ti6.5Al2Zr1Mo1V合(he)金(jin)微(wei)观组织的(de)差(cha)异。结(jie)果(guo)表(biao)明(ming)，在其(qi)他参(can)数(shu)固(gu)定(ding)的情况下(xia)，当光(guang)束(shu)电流(liu)与(yu)扫描速度之比(bi)在5.0~7.5之间波(bo)动(dong)时，可(ke)以得(de)到(dao)表面(mian)平整(zheng)的(de)样(yang)品(pin)。在(zai)不(bu)同(tong)的(de)扫描(miao)参数下，EBSM制(zhi)备的(de)样(yang)品中篮(lan)织结(jie)构(gou)和(he)Widmanstatten结(jie)构同(tong)时(shi)存(cun)在(zai)，而(er)在(zai)低(di)光束电(dian)流(liu)和(he)高扫(sao)描(miao)速(su)度下(xia)更容易形(xing)成马氏体相(xiang)α′。由于α′/β界面(mian)处的应(ying)力集(ji)中，（α′+α+β）相(xiang)的混合相比完全层状(zhuang)（α+β）相具有(you)更高(gao)的(de)强度(du)和(he)更低的塑(su)性[50]。

激光(guang)金属沉积(ji)（LMD）装(zhuang)置的(de)示(shi)意图(tu)见图(tu)5，激(ji)光(guang)金(jin)属沉积(ji)（LMD）与激光(guang)选区熔化(hua)工(gong)艺相比，激(ji)光(guang)熔(rong)化沉积最大的差别(bie)在(zai)于(yu)粉末(mo)给(gei)料的(de)方(fang)式(shi)，是(shi)在(zai)金属(shu)基体(ti)上熔出熔(rong)池(chi)的(de)同(tong)时将金(jin)属(shu)粉末(mo)送入，随着(zhe)热(re)源的离(li)去金(jin)属(shu)熔化(hua)凝(ning)固(gu)形成(cheng)一(yi)条熔(rong)覆轨迹(ji)。因此(ci)，一(yi)定程度上可以(yi)节(jie)约(yue)粉(fen)末(mo)材料，也可以(yi)用(yong)于(yu)金(jin)属零部(bu)件(jian)的(de)修复，消除(chu)某(mou)些(xie)复杂(za)、特(te)殊形(xing)状(zhuang)或较大体(ti)积(ji)零(ling)件(jian)的制(zhi)造(zao)缺(que)陷(xian)，修(xiu)复误(wu)加(jia)工导(dao)致的零件损伤(shang)，目(mu)前激(ji)光(guang)熔(rong)化沉积(ji)技术在(zai)航空构(gou)件(jian)制造领域(yu)已(yi)经(jing)相(xiang)当成熟。由(you)于小熔池内(nei)对流强烈，增(zeng)材制(zhi)造（AM）可(ke)以实现(xian)均(jun)匀的浓度分(fen)布，是发挥更多(duo)合(he)金(jin)元(yuan)素(su)潜能(neng)的(de)理(li)想合金化策(ce)略，Wang等采用激光定向(xiang)能沉(chen)积(ji)技(ji)术制备了一(yi)种新成分(fen)的(de)α+β钛合(he)金(jin)，沉积(ji)的(de)新α+β钛(tai)合(he)金表(biao)现(xian)出(chu)近(jin)等(deng)轴β晶(jing)粒(li)和(he)晶(jing)内(nei)超(chao)细篮(lan)状(zhuang)组织，其中α条厚(hou)度为(wei)（0.4±0.1）μm。在(zai)随后的退火(huo)过(guo)程(cheng)中(zhong)，通(tong)过(guo)宏(hong)观扩(kuo)散(san)形成了厚度(du)为（1.4±0.2）μm的(de)初(chu)级α(αp)纤维根形态(tai)，这种特(te)殊的(de)形(xing)态是塑性提(ti)高的(de)主(zhu)要原因。借(jie)助(zhu)于这(zhe)种(zhong)特(te)殊的形貌(mao)和细小次(ci)生(sheng)α(αs)的(de)形(xing)核，合金的极限抗(kang)拉强(qiang)度（UTS）和延展(zhan)性分(fen)别(bie)达到（1247±3）MPa和(he)9.2%±0.2%[51]。

与(yu)传(chuan)统(tong)的(de)锻(duan)造(zao)和(he)铸(zhu)造(zao)方法(fa)相比，LMD在(zai)制(zhi)造(zao)速(su)度(du)和生(sheng)产(chan)具(ju)有复(fu)杂几何(he)形(xing)状(zhuang)的大(da)型部(bu)件的能(neng)力(li)方面(mian)具(ju)有优(you)势(shi)。航(hang)空(kong)航(hang)天用(yong)钛(tai)合金(jin)构(gou)件经(jing)常(chang)受到循(xun)环(huan)载荷(he)的影响，疲(pi)劳(lao)是其最(zui)主要的(de)失(shi)效(xiao)模(mo)式之一(yi)。因此(ci)，有(you)必(bi)要(yao)对(dui)LMD钛合金(jin)的(de)疲劳行(xing)为(wei)进行(xing)评(ping)估，包(bao)括疲(pi)劳裂纹的萌生(sheng)和(he)扩展(zhan)。Liu等研究(jiu)了(le)Ti-6Al-2Zr-Mo-V合(he)金在(zai)沉(chen)积(ji)和热(re)处理(li)状态下(xia)的(de)疲(pi)劳(lao)裂纹(wen)扩展(zhan)行为，认(ren)为α晶粒(li)的(de)晶粒尺(chi)寸(cun)、空(kong)间(jian)取向和(he)晶体取向是(shi)控制(zhi)LDM钛合(he)金疲(pi)劳(lao)裂纹扩展行为(wei)的(de)主(zhu)要因素[52]。

以航(hang)空(kong)工业中(zhong)最(zui)为典型(xing)的TC4钛合金(jin)为例(li)，常(chang)规(gui)锻造钛(tai)合(he)金(jin)工(gong)件(jian)与(yu)增(zeng)材(cai)制造(zao)钛合(he)金(jin)构件(jian)的性能(neng)对比(bi)如(ru)表3和表4所示，表明(ming)增(zeng)材(cai)制(zhi)造(zao)构件(jian)在保持(chi)高强拉(la)伸(shen)屈服性能的同(tong)时(shi)，冲(chong)击韧(ren)性(xing)和断(duan)裂(lie)韧性(xing)也有(you)一定(ding)提升(sheng)，表(biao)明增材(cai)制(zhi)造(zao)技术(shu)可实现(xian)TC4钛(tai)合金(jin)航(hang)空(kong)工(gong)件(jian)的(de)高(gao)强高韧。

对(dui)比(bi)钛(tai)合(he)金粉(fen)末(mo)三(san)种(zhong)打(da)印技(ji)术(shu)和TC4钛(tai)合金(jin)的(de)力(li)学(xue)性(xing)能(neng)参(can)数(shu)，粉末(mo)质(zhi)量（氧(yang)含(han)量、粒级(ji)分(fen)布、球(qiu)形(xing)度等(deng)）、打印策略的选(xuan)择(ze)（激(ji)光(guang)或电子(zi)束功率、扫(sao)描速(su)度(du)、扫描(miao)间(jian)距、金属(shu)粉(fen)层厚(hou)度、扫(sao)描(miao)策略(lve)等）与(yu)构件性(xing)能(neng)（拉伸(shen)强(qiang)度(du)、疲劳强(qiang)度、韧性等(deng)）存在直接(jie)的相关性(xing)，三方面(mian)综(zong)合(he)分(fen)析和调整技术参数，可(ke)以(yi)获(huo)得性能更佳的航(hang)空增(zeng)材构件。

2.2钛合金增材(cai)制(zhi)造(zao)技术(shu)在航(hang)空构件制造(zao)领域的应用

目(mu)前(qian)在钛(tai)合(he)金增(zeng)材制(zhi)造(zao)技(ji)术已(yi)经(jing)成(cheng)功(gong)应(ying)用(yong)于飞机大(da)型(xing)薄壁(bi)复(fu)杂(za)构件(jian)的一体(ti)成(cheng)形(xing)和(he)航空发(fa)动(dong)机精密构(gou)件，该(gai)技(ji)术(shu)可以显著降(jiang)低航空构件的(de)制(zhi)造周期和(he)生产成(cheng)本，而(er)且(qie)可(ke)以使构(gou)件兼(jian)备(bei)高(gao)强与高(gao)韧的(de)力学性能，裂(lie)纹稳定扩展(zhan)周期长，增材(cai)制(zhi)造(zao)部(bu)件内(nei)部(bu)的裂(lie)纹(wen)容易检出，能(neng)够(gou)实现(xian)可损(sun)伤容(rong)限设计，并(bing)且极大减少航(hang)空(kong)构(gou)件(jian)的(de)焊(han)缝(feng)数(shu)量(liang)，使(shi)航(hang)空(kong)构件整(zheng)体的(de)安(an)全(quan)性得到显(xian)著提高(gao)。目前(qian)航(hang)空钛合金(jin)的应用和研究(jiu)主(zhu)要(yao)包括高温(wen)钛(tai)合(he)金、高(gao)强钛合金和(he)阻(zu)燃(ran)钛合(he)金等(deng)。虽然钛(tai)合金(jin)在(zai)其(qi)使(shi)用环境(jing)下也获得了不错的效(xiao)益，但(dan)仍(reng)有不少项(xiang)目在工(gong)程(cheng)化应用(yong)方(fang)面难(nan)以解(jie)决(jue)，如(ru)高(gao)钛(tai)复合材(cai)料所具有的“热障”性温(wen)度、高(gao)强韧钛(tai)合金(jin)无(wu)法(fa)同时获(huo)得较大(da)的热(re)强性和良(liang)好的断(duan)裂(lie)韧性、钛(tai)合金(jin)阻燃(ran)性机(ji)制研究(jiu)并(bing)不清晰(xi)等(deng)。为打(da)破传统(tong)钛合(he)金(jin)因技(ji)术缺(que)陷所(suo)带(dai)来的(de)弊端(duan)，必须(xu)研(yan)究增(zeng)材(cai)制造(zao)钛合(he)金在(zai)不同(tong)使(shi)用环境(jing)下的组织(zhi)演变(bian)规(gui)律、失效(xiao)机制(zhi)及其(qi)对(dui)构件(jian)性能的影响(xiang)。

2.2.1高温(wen)钛(tai)合(he)金

目(mu)前(qian)，高温钛(tai)合(he)金因其具(ju)有(you)优(you)良(liang)的(de)高(gao)温(wen)耐热(re)性(xing)和高强度(du)，被广(guang)泛应(ying)用(yong)于航空航(hang)天发动机(ji)中，航空发动(dong)机(ji)主(zhu)要构件如(ru)图6所(suo)示(shi)，世(shi)界(jie)上先(xian)进发(fa)达国家(jia)研发的(de)高温(wen)钛合金(jin)较多，比(bi)如美(mei)国的(de)Ti-1100、英国的(de)IMI834、俄(e)罗斯的(de)BT18Y和(he)BT36等高温钛(tai)合金可(ke)在(zai)600℃以(yi)上(shang)稳定(ding)应(ying)用，T55-712及(ji)Trent700等航(hang)空(kong)发动机上也(ye)被(bei)成(cheng)功(gong)应用。目(mu)前(qian)为止，由于在600℃以上钛合金材(cai)料的热强(qiang)性和热稳(wen)定性仍然(ran)是一(yi)个(ge)较难克(ke)服(fu)的(de)问(wen)题(ti)，因此(ci)目前(qian)对于(yu)研发(fa)温(wen)度(du)在600℃以上(shang)并(bing)正(zheng)常(chang)使(shi)用的(de)航空(kong)发动机(ji)用钛合(he)金仍然面临(lin)着很大的问(wen)题(ti)和(he)挑(tiao)战，严重制(zhi)约(yue)着高(gao)温钛合(he)金的发(fa)展(zhan)。较(jiao)为常(chang)见的钛(tai)合(he)金(jin)高温强化(hua)工艺(yi)有(you)：

（1）添加(jia)稀(xi)土(tu)元(yuan)素(su)，稀土元(yuan)素对(dui)钛(tai)合金(jin)基体(ti)产生(sheng)脱(tuo)氧作用，或(huo)弥(mi)散出(chu)高(gao)熔(rong)点(dian)稀(xi)土(tu)氧化(hua)物；

（2）研发高(gao)温抗(kang)氧化(hua)涂层(ceng)，避免钛(tai)合(he)金(jin)长(zhang)时间暴(bao)露(lu)在(zai)空(kong)气中；

（3）SiCf/Ti复(fu)合材料(liao)和(he)TiAl材料(liao)是新一代高(gao)推重比(bi)航(hang)空(kong)发(fa)动机(ji)用(yong)的(de)两种关(guan)键结(jie)构(gou)材料(liao)[53]。

美国(guo)ARC公司(si)采(cai)用SiC纤维/金(jin)属丝编(bian)织条带(dai)与(yu)Ti粉热压(ya)复(fu)合(he)工艺制作了(le)直(zhi)径17.8cm的模拟(ni)叶环(huan)和(he)F119发(fa)动机矢量(liang)喷管驱(qu)动器传(chuan)动(dong)活(huo)塞(sai)杆。普惠(hui)公(gong)司(si)制备(bei)了(le)PW4084SiCf/Ti风(feng)扇叶片，研发(fa)TiAl和(he)TiAl型(xing)金(jin)属间化(hua)合(he)物(wu)为(wei)基(ji)的(de)钛(tai)合金(jin)，钛(tai)与铝(lv)制(zhi)成(cheng)的(de)钛铝(lv)合金，抗氧化能(neng)力(li)强(qiang)，抗(kang)蠕(ru)变性能(neng)好(hao)，质量更(geng)轻(qing)，最高温(wen)度(du)可以(yi)达(da)到(dao)800℃以上，同(tong)时研(yan)究(jiu)发(fa)现Nb元(yuan)素的添加可(ke)以(yi)改(gai)善钛铝(lv)基合金的韧(ren)性(xing)、塑(su)性和抗高(gao)温氧(yang)化(hua)性，源于Nb的添(tian)加导致(zhi)O相（Orthorhombicphase）的(de)出现，从(cong)而进一(yi)步提(ti)高了(le)钛合(he)金的(de)使用(yong)温度(du)。相比常(chang)规的高温(wen)镍(nie)基合(he)金，钛(tai)铝系(xi)合(he)金可(ke)实现(xian)航空(kong)构件(jian)减重(zhong)40%的(de)效果(guo)[9]，但(dan)由(you)于钛(tai)铝合金(jin)室温脆性强(qiang)，用传统(tong)方(fang)法制造钛(tai)铝合(he)金(jin)制件比(bi)较困(kun)难(nan)，而(er)采用增材(cai)制造技(ji)术可(ke)以(yi)有效避免成形过程(cheng)中(zhong)钛铝(lv)合金制件(jian)的开(kai)裂(lie)。

2.2.2高(gao)强钛(tai)合金

高强韧钛合(he)金(jin)一般指室温(wen)下最大抗(kang)拉强度在1000MPa以上(shang)，最(zui)大断(duan)裂韧度(du)在55MPa·m^1/2以上的钛(tai)合(he)金，包括α/β钛(tai)合(he)金和β钛(tai)合金(jin)。TC4、TC17和TC21等都属于(yu)α/β钛合金(jin)，其(qi)中(zhong)由(you)我(wo)国自(zi)主研(yan)发的TC21（Ti-6Al-2Mo-1.5Cr-2Zr-2Sn-2Nb）合(he)金已(yi)经(jing)被用(yong)于制(zhi)造(zao)飞机及(ji)发(fa)动机零(ling)部(bu)件(jian)和结构(gou)件(jian)；航(hang)空(kong)领(ling)域中使用(yong)得最(zui)为普(pu)遍(bian)的(de)5种高(gao)强(qiang)度β钛(tai)合(he)金，包括(kuo)Ti-10-2-3、Ti-5553、Ti-15-3、β-C、β-21S。其(qi)他(ta)新(xin)研(yan)发(fa)的(de)主(zhu)要(yao)β钛合(he)金（如(ru)β-CEZ、β-Ⅲ、β-LCB）多添加(jia)Fe作(zuo)为(wei)β稳(wen)定元素，减少(shao)了(le)V、Mo、Nb、Ta等β相(xiang)稳(wen)定(ding)元素(su)的(de)添加量，其目(mu)的是(shi)减少(shao)材(cai)料(liao)生(sheng)产成本。

2.2.3阻燃(ran)钛合金

航(hang)空发动(dong)机(ji)中(zhong)钛合(he)金零件的(de)热(re)系(xi)数较低(di)，燃烧热(re)高(gao)，在(zai)高(gao)速碰(peng)撞和(he)热(re)粒子(zi)冲(chong)击下(xia)易(yi)产生“钛火(huo)”。钛合金的(de)自(zi)燃(ran)速(su)度快，通(tong)常(chang)在(zai)4~20s，自燃反(fan)应(ying)一经(jing)发生就(jiu)很难停(ting)止(zhi)，会(hui)带(dai)来(lai)很大的经济(ji)损失(shi)。为(wei)了将(jiang)“钛火”这(zhe)一(yi)难点攻克(ke)，阻燃钛(tai)合(he)金(jin)的设计和研(yan)制显(xian)得尤为(wei)重要。目(mu)前Ti-V-Cr和(he)Ti-Cu两个(ge)不同阻(zu)燃机(ji)制的钛合金相(xiang)继被(bei)研制。我国(guo)科研(yan)人员(yuan)在Alloy C、AlloyC＋和(he)Ti40合(he)金(jin)的(de)基础(chu)上(shang)，通过(guo)调(diao)整(zheng)Si、C元素的(de)含量(liang)而(er)研(yan)制(zhi)成(cheng)功的(de)一(yi)种新型高(gao)合金化型Ti-V-Cr系阻(zu)燃钛合(he)金(jin)WSTi3515S（Ti-35V-15Cr-xSi-yC），2013年(nian)锻造(zao)试(shi)制(zhi)出(chu)首个(ge)WSTi3515S合金半圆(yuan)形(xing)锻(duan)件。机械加(jia)工困(kun)难(nan)已(yi)成为困扰阻燃(ran)钛(tai)合金工(gong)程(cheng)化(hua)进(jin)程(cheng)的(de)主要难题之一(yi)，尤其是(shi)铣削(xue)加工(gong)，超长(zhang)的(de)加工周期(qi)以(yi)及(ji)昂贵(gui)的(de)加(jia)工(gong)成本(ben)大(da)大限制了阻燃钛合金(jin)的推(tui)广应(ying)用(yong)领域[54]。

3、结(jie)语(yu)与(yu)展(zhan)望(wang)

（1）相比(bi)其他钛(tai)合金粉末制(zhi)备(bei)技(ji)术，等离(li)子(zi)旋转(zhuan)电机(ji)雾(wu)化法PREP和电(dian)极(ji)感应(ying)气(qi)雾(wu)化法EIGA所(suo)得钛(tai)合金(jin)粉(fen)末(mo)粒度细(xi)、球(qiu)形度高、杂质含量低(di)，适用于航空构件(jian)的(de)增材制造领域(yu)。

（2）钛(tai)及钛合(he)金(jin)粉(fen)末(mo)的质量(liang)是(shi)影(ying)响(xiang)粉(fen)末(mo)冶金(jin)钛(tai)合(he)金性能的(de)重要因(yin)素之一。钛(tai)合金(jin)粉末的非(fei)金(jin)属(shu)夹(jia)杂(za)、气体(ti)夹(jia)杂、颗粒尺寸偏差和合金(jin)成分(fen)偏(pian)差等(deng)都可(ke)能(neng)造(zao)成(cheng)增(zeng)材制(zhi)造系(xi)统(tong)粉(fen)末床中的不(bu)连续(xu)扩(kuo)展，导致(zhi)工艺(yi)失稳(wen)、夹(jia)杂或孔洞、激(ji)光扫(sao)描直(zhi)接(jie)或(huo)间接(jie)造成(cheng)的气(qi)体吸附(fu)导(dao)致的(de)孔(kong)洞(dong)、某些(xie)元素夹杂导致的疲劳(lao)裂(lie)纹源(yuan)。增材制造过(guo)程中引入氧(yang)（O）和(he)氮（N）原子会(hui)改变钛合(he)金的化(hua)学成(cheng)分，导(dao)致(zhi)晶(jing)格畸(ji)变(bian)，从而(er)阻(zu)碍位(wei)错滑移和(he)孪(luan)晶(jing)，最终(zhong)导致强(qiang)度提(ti)高，但塑(su)性降(jiang)低。因(yin)此，制(zhi)备低间(jian)隙元素(su)含(han)量(liang)的钛及钛合金粉末是未(wei)来(lai)发展热点(dian)之一(yi)。

（3）针(zhen)对(dui)钛合金难加(jia)工(gong)特点，钛(tai)合金(jin)的(de)增(zeng)材(cai)制(zhi)造技术(shu)具有巨大(da)的(de)发展前(qian)景，由于(yu)航空(kong)构件的特殊(shu)性(xing)，构(gou)件(jian)复(fu)杂程(cheng)度也(ye)超(chao)出(chu)常(chang)规构件等，增材制造(zao)技术(shu)可(ke)以(yi)避(bi)免(mian)常规(gui)制(zhi)造(zao)技(ji)术过程(cheng)繁琐(suo)，后续(xu)加工(gong)工序(xu)复(fu)杂(za)的问题(ti)。随(sui)着(zhe)钛(tai)合金(jin)增(zeng)材制造(zao)在航空(kong)领域的普(pu)及，增材(cai)制(zhi)造设备(bei)高(gao)精度、高效(xiao)率(lv)和大型化将(jiang)是未(wei)来的(de)发展方向。

参(can)考文(wen)献(xian)：

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