3D打印技術(shù)在鈦合金加工件生產(chǎn)中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)又被稱(chēng)為“增材制造技術(shù)”、“快速成形技術(shù)”和“實(shí)體自由制造技術(shù)”等，至今已有30多年的發(fā)展歷史。3D打印技術(shù)基于離散－堆積原理，以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，通過(guò)計(jì)算機(jī)程序運(yùn)行使材料逐層熔化和堆積，最終得到立體實(shí)物。相比于傳統(tǒng)的減材制造技術(shù)，其最大的優(yōu)勢(shì)在于生產(chǎn)無(wú)需原坯，同時(shí)精度和自由度高、工藝簡(jiǎn)單、節(jié)省時(shí)間及原材料，在航空航天、醫(yī)療、汽車(chē)、國(guó)防、電子等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在一些鏤空多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件上。當(dāng)今，國(guó)內(nèi)外常用的鈦合金 3D打印方法主要有激光選區(qū)燒結(jié)成形技術(shù)（SLS）、激光近凈成形（LENS）、激光選區(qū)熔化成形技術(shù)（SLM）和電子束選區(qū)熔化成形技術(shù)（EBSM），這些技術(shù)都有各自的特點(diǎn)，在不同的領(lǐng)域各有優(yōu)勢(shì)。目前可用于3D打印的材料有金屬、高分子、陶瓷、石膏及復(fù)合材料。金屬材料3D打印技術(shù)起步較晚，但發(fā)展迅速，有研究者認(rèn)為金屬材料3D打印技術(shù)可能在快速成形制造領(lǐng)域逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。

金屬3D打印材料主要集中在鈦合金、鋁合金、鐵基合金領(lǐng)域，其中鈦合金的發(fā)展最快。鈦合金具有密度小、比強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕、生物相容性好等特性，在航空航天、船舶與海洋工程、醫(yī)療、石油化工等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。從工業(yè)價(jià)值、資源壽命和發(fā)展前景看，鈦合金僅次于鐵和鋁，被稱(chēng)為“正在崛起的第三金屬”［1～4］，但其材料昂貴、加工難度大，采用普通鍛造、機(jī)加方法獲得零件，材料利用率低，制造成本居高不下，限制了其進(jìn)一步推廣應(yīng)用［5］。鈦合金鑄件工藝靈活性好，可以直接近凈成形各種形狀的構(gòu)件，減少機(jī)加工量，提高金屬利用率，并縮短生產(chǎn)周期，有效降低鈦合金零件制造成本。近年來(lái)，隨著鑄造技術(shù)提高以及熱等靜壓（HIP）等工藝的應(yīng)用，鈦合金鑄件品質(zhì)及性能已經(jīng)接近鍛件的水平，且裂紋擴(kuò)展和抗蠕變性能優(yōu)于相應(yīng)的鍛件［6，7］，加速了鈦合金鑄件在航空發(fā)動(dòng)機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星及人體植入物等領(lǐng)域的應(yīng)用［8～10］。同時(shí)，隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展及推廣，其快速制造、復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件成形方面的顯著優(yōu)勢(shì)，為鈦合金鑄件生產(chǎn)工藝革新，提供了新的發(fā)展機(jī)遇［11，12］。

國(guó)際上3D打印技術(shù)在鈦合金加工成形上的應(yīng)用主要有：①直接3D打印鈦合金構(gòu)件，采用SLS并選擇合適的鈦合金粉末，根據(jù)設(shè)計(jì)好的三維零件圖形通過(guò)激光源提供的能量使得鈦合金粉末燒結(jié)成形，逐層打印出鈦合金構(gòu)件；②3D打印蠟?zāi)＃搼?yīng)用有兩種3D打印方案，一種是熔融沉積成形技術(shù)，根據(jù)三維零件圖逐層打印出高分子材質(zhì)零件，最后經(jīng)過(guò)去支撐處理來(lái)改善打印件表面品質(zhì)得到打印蠟?zāi)＃涣硪环N是采用光固化成形技術(shù)，根據(jù)三維零件圖逐層打印出光敏樹(shù)脂、聚苯乙烯等材質(zhì)的零件，經(jīng)過(guò)去支撐處理來(lái)改善打印件表面品質(zhì)得到打印蠟?zāi)＃虎坌扪a(bǔ)缺陷，采用激光立體成形技術(shù)對(duì)鈦合金鑄件中一些重要零件進(jìn)行缺陷修復(fù)成形，如在一些大面積薄壁件上進(jìn)行大體積增材修復(fù)、恢復(fù)復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)損傷部位的形狀和性能［13］，具有變形小、提高修復(fù)件力學(xué)性能等優(yōu)勢(shì)。

1、鈦合金構(gòu)件生產(chǎn)工藝流程及特點(diǎn)

鈦的化學(xué)活性高，為避免澆注時(shí)與鑄型材料發(fā)生激烈反應(yīng)，一般選擇石墨、氧化鋯、氧化釔等作為與鈦液接觸的面層鑄型材料，并逐漸發(fā)展形成機(jī)加工石墨型和熔模精密鑄造兩種傳統(tǒng)主流工藝［14］，見(jiàn)圖1。在熔模鑄造中，首先要根據(jù)鈦合金零件圖，考慮澆注收縮率和加工余量等因素，進(jìn)行鑄件圖、射蠟?zāi)＞邎D等工藝設(shè)計(jì)，并加 工射蠟金屬模具，使用射蠟機(jī)和射蠟?zāi)＞邏褐频南災(zāi)＃?jīng)掛漿撒砂、干燥焙燒等工序后，完成陶瓷型殼制備，再進(jìn)行真空澆注獲得鑄件。與熔模鑄造工藝不同，機(jī)加工 石墨型是使用優(yōu)質(zhì)高純石墨加工成石墨型，再澆注獲得鈦合金鑄件。兩種工藝均存在工序流程長(zhǎng)、裝備工藝復(fù)雜、鑄型成本高的問(wèn)題。

2、3D打印技術(shù)優(yōu)勢(shì)

3D打印技術(shù)憑借無(wú)需模具、快速性、低成本、高柔性和高集成化等優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用［15］。根據(jù)鈦合金鑄件傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝流程及優(yōu)缺點(diǎn)，以縮短交期、降低成本、 成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件為目的，3D打印金屬及模樣技術(shù)在鈦合金鑄件生產(chǎn)過(guò)程中具有顯著技術(shù)優(yōu)勢(shì)，具體如下［16，17］。

（1）快速成形，縮短交期　可直接快速成形鑄件、模樣，省去模具設(shè)計(jì)、加工及試模等工序，使鈦合金鑄件交付周期由傳統(tǒng)的2～3個(gè)月，縮短至15～30天，尤其適用于鈦合金鑄件新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。

（2）簡(jiǎn)化流程，降低成本　一方面，3D打印無(wú)需模具、石墨型、工裝設(shè)計(jì)及加工，節(jié)省了高昂的制作費(fèi)用，特別適合于多品種、單件或小批量生產(chǎn)的鈦合金鑄件；

另一方面，利用3D 打印工藝設(shè)計(jì)及制造靈活性的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)零件的一體成形制造，減少傳統(tǒng)工藝多零件分體設(shè)計(jì)、制造、焊接、熱處理、機(jī)加工等復(fù)雜工序及成本， 提高材料利用率，實(shí)現(xiàn)降本增效。

（3）設(shè)計(jì)自由，生產(chǎn)柔性　3D打印技術(shù)是采用逐層堆積成形方法打印金屬、模樣，無(wú)需開(kāi)模具，不受鑄造分型、斜度等工藝設(shè)計(jì)限制，可對(duì)鑄件結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化 及一體化成形設(shè)計(jì)，能夠制造出傳統(tǒng)工藝無(wú)法生產(chǎn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)鈦合金鑄件。此外，3D打印呈現(xiàn)高度數(shù)字化、信息化、集成化特點(diǎn)，生產(chǎn)效率和成本受鑄件結(jié)構(gòu)影響較 小，可實(shí)現(xiàn)柔性生產(chǎn)，且與傳統(tǒng)鑄造工藝相比，鈦合金鑄件品種越多、結(jié)構(gòu)越復(fù)雜、數(shù)量越有限，柔性生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性越顯著。

此外，3D打印鈦合金構(gòu)件作為一種先進(jìn)的一體化加工方案，可一次性完成傳統(tǒng)構(gòu)件鑄、鍛、焊、機(jī)加工等多工序制造方案，在生產(chǎn)周期、減重、綜合降本等方面優(yōu) 勢(shì)突出，應(yīng)用趨于廣泛。

3、3D打印鈦合金構(gòu)件技術(shù)及應(yīng)用

與采用傳統(tǒng)鑄造方法生產(chǎn)鈦合金構(gòu)件相比，使用金屬粉體或絲材等原料，直接3D打印制備鈦合金構(gòu)件，無(wú)需模具設(shè)計(jì)、加工、制殼、澆注、清殼等工序，從三維模型到完成構(gòu)件原型制作通常只需幾個(gè)小時(shí)到幾十個(gè)小時(shí)，是目前鈦合金構(gòu)件成形流程最短、時(shí)間最快、可成形結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的制備方法。同時(shí)，3D打印鈦合金構(gòu)件為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)化提供了最大自由度，為分體式零件輕量化、一次性整體設(shè)計(jì)和制造提供了有效解決方案，可成形復(fù)雜、個(gè)性化結(jié)構(gòu)，制作的零件無(wú)需拼焊，一致性好，解決了傳統(tǒng)方式帶來(lái)的增重、密封性差和結(jié)構(gòu)件整體強(qiáng)度剛度低等問(wèn)題。

3D打印鈦合金構(gòu)件具有的上述優(yōu)勢(shì)，使其在航空航天領(lǐng)域獲得了快速發(fā)展，同時(shí)在醫(yī)療、汽車(chē)、快速制造等領(lǐng)域也具有廣闊的應(yīng)用前景。在工程化應(yīng)用方面，發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)3D 打印鈦合金構(gòu)件技術(shù)展開(kāi)了大量研究。AｅｒｏＭｅｔ公司采用3D打印技術(shù)為波音公司制造了F／A－18E／F艦載聯(lián)合殲擊機(jī)／攻擊機(jī)鈦合金次承力結(jié)構(gòu) 件，主要包括航空翼根吊環(huán)和大型鈦合金翼梁，鑄件尺寸分別達(dá)到900ｍｍ×300ｍｍ×150ｍｍ、2400ｍｍ×225ｍｍ×100ｍｍ，并實(shí)現(xiàn)了裝機(jī)應(yīng)用，見(jiàn)圖2［11］。美國(guó)空客公司在其A380客機(jī)上安裝了首個(gè)由3D打印制造的一體化設(shè)計(jì)、復(fù)雜結(jié)構(gòu)鈦合金主飛行控制液壓元件，并順利完成飛行測(cè)試，見(jiàn)圖3［11］。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)3D打印鈦合金構(gòu)件應(yīng)用發(fā)展迅速，先后研制并掌握了TA15、TC4、TC11等鈦合金大型、復(fù)雜、整體、主承力飛機(jī)關(guān)鍵構(gòu)件3D打印技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)了C919大型客機(jī)在內(nèi)的多型號(hào)飛機(jī)裝機(jī)應(yīng)用，圖4為某型號(hào)飛機(jī)“眼鏡式”鈦合金加強(qiáng)框。2012年，研制的大飛機(jī)C919中央翼緣條鈦合金3D 打印金屬通過(guò)了性能測(cè)試，其尺寸為3000ｍｍ×350ｍｍ×450ｍｍ，質(zhì)量為196kg；同時(shí)，采用3D打印技術(shù)還研制了軸承座后機(jī)匣、超音速飛行器方向舵、復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)零件等構(gòu)件［5］。鈦合金3D打印技術(shù)在零件快速修復(fù)及制造方面優(yōu)勢(shì)顯著，可有效延長(zhǎng)零件使用壽命、減少備品備件，提升軍事裝備作戰(zhàn)能力。

此外，3D打印技術(shù)在個(gè)性化、復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)及難加工醫(yī)療器械制造中具有優(yōu)勢(shì)，非常適合鈦合金骨科植入物醫(yī)療器械制造，使植入物外形和力學(xué)性能與人體自身骨骼 實(shí)現(xiàn)理想雙重適配，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用［8，18］。

4、3D打印模樣技術(shù)及應(yīng)用

通過(guò)3D打印高分子材料模樣，并使用熔模鑄造鈦合金鑄件，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用。與3D打印鈦合金構(gòu)件相比，雖然生產(chǎn)流程有所增加，但由于模樣制備成本低，可獲得傳統(tǒng)鈦合金精鑄件組織性能，在鈦粉成本未實(shí)現(xiàn)大幅降低條件下，該方法用于單件、小批量，或不易開(kāi)金屬模具鈦合金鑄件生產(chǎn)，能夠快速、精確地制造出任意復(fù)雜的零部件模型，在縮短生產(chǎn)周期、降低成本方面具有綜合優(yōu)勢(shì)。3D打印模樣需具備足夠強(qiáng)度和較少灰分含量，以滿足制殼抑制變形、減少澆注掉渣夾雜等品質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)。目前，3D打印模樣材質(zhì)主要有光敏樹(shù)脂模（SLA模）、聚苯乙烯模（PS粉模）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA粉模）等3種。SLA 模是基于光固化快速成形技術(shù)（SLA），以液態(tài)樹(shù)脂為原料制作而成，其生產(chǎn)的鈦合金鑄件具有尺寸精度高、表面粗糙度低等優(yōu)點(diǎn)，但制模成本高于另外兩種工藝。圖5為SLA模樣、型殼及鈦合金鑄件。PS粉模（見(jiàn)圖6）和PMMA粉模（見(jiàn)圖7）相似，分別采用顆粒燒結(jié)和粘結(jié)方法制模，雖然成本較低，但尺寸精度和表面粗糙度不及SLA 模。3種打印模樣技術(shù)特點(diǎn)、成本對(duì)比情況見(jiàn)表1，需要在實(shí)際生產(chǎn)中，根據(jù)品質(zhì)要求和成本因素綜合考慮［19，20］。

5、存在的問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)

與鋼鐵、鋁合金鑄件不同，鈦合金鑄件昂貴、產(chǎn)量低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此非常適宜采用3D打印技術(shù)，以降低鑄件綜合成本，縮短生產(chǎn)周期。近年來(lái)，3D打印技術(shù)在鈦合金鑄件生產(chǎn)中雖然實(shí)現(xiàn)了快速應(yīng)用，但仍然存在產(chǎn)業(yè)發(fā)展瓶頸，需要整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)共同努力解決［16，21］。存在的問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)主要包括4個(gè)方面。

（1）提高3D 打印鈦合金構(gòu)件品質(zhì)及穩(wěn)定性　粉體、絲棒材等鈦合金打印原料加工性能不佳，以及打印設(shè)備、參數(shù)不當(dāng)，均會(huì)導(dǎo)致鈦合金零件出現(xiàn)球化、裂紋、空隙及翹曲變形等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)細(xì)粒徑、低氧含量、高球形度合金粉末的制備，并持續(xù)從打印原料、打印設(shè)備和工藝等方面進(jìn)行系統(tǒng)整體發(fā)展和提升，以保證鑄件的品質(zhì)和穩(wěn)定性。

（2）降低生產(chǎn)成本　盡管3D打印技術(shù)能夠簡(jiǎn)化鈦合金鑄件生產(chǎn)工藝流程，提高原料利用率，但由于鈦合金粉體價(jià)格昂貴，使得3D打印鈦合金構(gòu)件成本居高不下。因此，創(chuàng)新制粉工藝技術(shù)，大幅降低鈦合金粉體成本，同時(shí)推進(jìn)SLA模、PS粉模、PMMA粉模降低成本，是實(shí)現(xiàn)3D打印技術(shù)在鈦合金鑄件生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。

（3）提高技術(shù)成熟度，建立完善的標(biāo)準(zhǔn)體系　搜集整理數(shù)據(jù)，加大3D打印鈦合金構(gòu)件應(yīng)用評(píng)價(jià)；同時(shí)，需要行業(yè)整合資源，發(fā)展并建立鈦合金粉體、3D打印裝備 和工藝、3D打印鈦合金構(gòu)件及其無(wú)損檢測(cè)方法和標(biāo)準(zhǔn)體系，為應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計(jì)人員提供可靠標(biāo)準(zhǔn)體系支撐，是影響3D打印技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的決定因素。

（4）3D打印型殼新技術(shù)發(fā)展　陶瓷3D打印是近年來(lái)剛興起的一種快速成形技術(shù)，將其應(yīng)用于傳統(tǒng)鈦合金熔模精密鑄造工藝中，使陶瓷膏體直接打印型殼來(lái)取代傳統(tǒng)的模樣制備，與3D打印模樣相比，不僅可以進(jìn)一步縮短流程，同時(shí)可避免模樣灰分殘留、脹殼導(dǎo)致的鈦合金鑄件掉渣夾雜等品質(zhì)問(wèn)題。

6、結(jié)語(yǔ)

綜述了3D打印技術(shù)在鈦合金構(gòu)件和模樣領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和發(fā)展問(wèn)題，3D打印金屬及模樣作為一項(xiàng)前沿技術(shù)，均已在鈦合金鑄件生產(chǎn)中獲得應(yīng)用，為單件小批量鑄件快速、低成本制造，實(shí)現(xiàn)特殊復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件成形提供了解決方案。但新技術(shù)仍然存在不足，需要持續(xù)進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新和改善提升，以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步廣泛應(yīng)用。

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