鈦合金激光增材制造技術研究與應用進展*

符成學，雷小偉，賈曉飛，張文豪，范金偉，王偉超，崔永杰

（中國船舶集團公司第七二五研究所，河南 洛陽 471023）

0 前 言

增材制造（additive manufacturing）又稱3D打印技術，是基于“離散/堆積成型”的思想，采用分層堆積成型的方法加工實體零件的快速成型技術。由于增材制造是采用原材料逐層熔化和堆積的方式進行零件加工，因此可以實現傳統制造技術無法完成的復雜結構件的制造，同時具有消耗原材料少、制造效率高等優點[1-2]。激光增材制造技術，是一種利用激光作為熱源，熔化原材料進行增材制造的先進制造技術。由于激光的能量密度高，可以精確控制加熱面積，因此激光增材制造適用于難熔金屬及復雜、精密且力學性能要求較高零件的制造[3]。

鈦及鈦合金比強度高，耐腐蝕性好，具有良好的綜合力學性能，但熔點較高，易氧化，對加工過程提出了更高的要求。采用激光增材制造技術，可以制造出結構復雜、尺寸精度高、力學性能好的鈦合金零件，在航空航天、醫療、模具、電力電子、汽車、船舶領域有著廣泛的應用前景，是國內外各研究機構關注的焦點[4-5]。本研究介紹了最具代表性的三種鈦合金激光增材制造技術的原理、特點和國內外研究現狀，并對其發展進行了展望，以期推動鈦合金激光增材制造技術的發展。

1 鈦合金激光增材制造技術原理及特點

按照熱源類型、原材料類型以及冶金過程的差異，鈦合金激光增材制造可分為激光粉末選區成型和激光同步材料送進成型兩大類，按照具體成型機理又細分為多種類型。本研究結合鈦合金增材過程的特點，重點介紹鈦合金激光選區熔化、鈦合金激光熔粉沉積和鈦合金激光熔絲沉積三種增材技術的原理及特點。其中，選區激光熔化和激光熔粉沉積發展較早，相關研究較多，屬于較為成熟的鈦合金增材制造工藝，而激光熔絲沉積屬于較先進的增材工藝，其工程化應用還有待工藝的進一步優化和完善。

1.1 鈦合金粉末激光選區熔化技術

鈦合金粉末激光選區熔化（SLM）技術，是目前主流且最為成熟的鈦合金激光增材制造技術，其基本原理及典型產品（TRUMPF 公司生產）如圖1[6]所示。其工作原理為：①根據設計要求，利用計算機構造所需零件的三維模型；②根據零件的結構，選擇合適的方向，將三維模型分割成若干薄層；③在成型室內預制一定厚度的鈦合金粉末，并用刮板刮平；④一定功率激光束以一定的速度沿薄層的輪廓線照射，使金屬粉末熔化后重新凝固；⑤在熔化后的金屬上重新鋪粉，重復步驟3和步驟4直至零件加工完成。

由于鈦合金高溫時易氧化，而SLM增材制造過程中有真空室或氣氛倉的保護，保護效果較好，同時可采用精密的振鏡鏡頭配合三維機床，成型精度較高。鈦合金粉末SLM技術是最早研究的鈦合金增材制造技術，也是目前最成熟的增材制造技術，其制造精度和復雜性是所有鈦合金增材制造技術中最高的，能夠輕松打印鏤空型的復雜結構。鈦合金粉末SLM增材制造技術可以直接獲得零件所需尺寸，凝固冷卻速度極快，組織細小，力學性能優異，可以實現任何傳統工藝都無法實現的超復雜結構。但由于采用先鋪粉再熔化的沉積方式，打印工件受設備（尤其是粉床）尺寸影響，目前只能生產尺寸約500 mm 級別的產品。此外，受打印粉末造價的限制，打印成本較高，僅適用于小尺寸、高精度、超復雜結構件的整體打印或完成現有零件的輕量化設計。

1.2 鈦合金激光熔粉沉積技術

鈦合金激光熔粉沉積（LMD）技術，是利用激光束的能量將同步送進的鈦合金粉末熔化沉積的增材制造工藝。其工作原理圖和典型產品（TRUMPF 公司生產）如圖2[7]所示。與SLM 技術類似，也需要先對零件進行建模和切片，將每層的截面信息轉化為掃描路徑，激光束沿生成的路徑照射并形成熔池的同時，將金屬粉末送入熔池內熔化后快速冷卻凝固。逐層重復上述動作，直至完成零件的制造。

圖2 LMD技術原理及典型產品

LMD技術的優點在于其突破了SLM技術制造尺寸的限制，理論上大型機床能夠加工的尺寸，均可實現該尺寸的LMD技術制造。對于氧化性不敏感的材質，可不用氬氣倉保護，但對于鈦合金等易氧化的金屬需要氬氣倉進行保護。LMD技術成形精度相對模鍛較高，凝固冷卻速度快，組織細小，力學性能優異，成形尺寸理論上沒有限制。相比傳統加工技術，其優點在于無需大型鍛造裝備和大型鍛壓模具，便可柔性、快速加工大型復雜整體構件；可以在原有鍛鑄件上成形耳片、接頭等異形結構，通過混合制造方法降低成本，實現復雜結構制造。但與SLM技術類似，由于金屬粉末價格昂貴和增材效率較低，影響了其推廣和應用。再者，目前市場上尚沒有完善的鈦合金各型牌號粉末，定制粉末成本極高，尚不能開展成體系的相關應用。

1.2 鈦合金激光熔絲沉積技術

鈦合金激光熔絲沉積技術的工作原理和LMD技術類似，主要是將送入熔池的材料由粉末材料換成絲材，同時激光熔絲沉積技術按絲材送進的方式又可分為同軸和旁軸兩種。其中，旁軸熔絲增材制造的平臺易于搭建，但熔敷過程受送絲方向性的限制，因此旁軸熔絲增材制造的試件不能滿足熔敷層尺寸和性能各方向的一致性，且對光絲的相對位置要求嚴格，成形過程控制更為復雜，其工作原理和激光熔絲焊接相似，如圖3[8-9]所示。

圖3 旁軸激光熔絲沉積技術原理及設備

激光同軸熔絲沉積技術由于絲材由激光中心送入，克服了旁軸熔絲的上述問題，其難點在于激光焊槍的設計和制造涵蓋光路、氣路、送絲、冷卻等多種集成耦合，制造難度大。因此，該技術正處于實驗室階段到市場化的拓展階段，屬于較先進的增材制造技術。圖4[10]顯示了激光同軸熔絲沉積技術的工作原理和設備實物。

圖4 同軸激光熔絲沉積技術原理及設備

與SLM和LMD技術相比，鈦合金激光熔絲沉積技術送料過程易于控制，且精度較高，適用于自動化生產；不受粉末牌號的限制，且成本較低，對熔敷位置的適應性更高；絲材熔敷效率遠高于粉末，且對環境的影響較小。鈦合金激光熔絲沉積技術制造的零件質量比SLM技術稍低，與LMD技術相當，特別適合船舶、車輛、能源等行業的產品尺寸較大、增材品質較高、精度適中、且生產周期較短的產品制造。鈦合金激光熔絲沉積技術尤其適合首件產品驗證、局部修復、帶筋產品減重等方向的應用，同時可代替疲勞性能要求較高的焊接結構產品，使用場合廣泛，效益可觀。

2 鈦合金激光增材制造技術國內外現狀

鈦合金SLM技術、LMD技術和激光熔絲沉積技術，是目前金屬增材制造技術中最具有代表性且應用最廣泛的技術。除了激光熔絲沉積技術起步較晚，其他兩種技術均經歷了萌芽期、發展期和成熟期，很多典型產品已經獲得商業應用，而激光熔絲沉積技術尚處于實驗室向工程化應用過渡的階段，一些典型的結構件已被制造出來。

2.1 鈦合金SLM技術發展現狀

目前，歐美等發達國家在SLM設備的研發及商業化進程上處于領先地位。1995年，德國研究機構Fraunhofer提出SLM技術，并于2002年研制成功。德國MCPHEK公司于2003年底生產出第一臺SLM 機器，利用該機器加工的工件致密度達100%，可直接應用于工業領域。德國EOS公司是目前全球最大、技術最為領先的激光粉末熔化增材制造成形系統的制造商，2016 年EOS 推出了EOS M400—4型大尺寸多光束選區熔化增材設備。該設備安裝了四激光系統，激光器功率為400 W，有獨立的250 mm×250 mm 構建區域，區域之間有50 mm×50 mm 重疊，將成形效率提升了4 倍。2014年，德國Concept Laser公司推出X系列機型1000R，成形尺寸為630 mm×400 mm×500 mm；2015 年該公司又推出了X line 2000R 型多光束3D打印設備，最大打印尺寸為800 mm×400 mm×500 mm，采用雙激光系統，每個激光器的功率高達1 000 W。GE收購的Concept Laser和Arcam、進入到PBF領域的德國通快、德馬吉森精機等公司均推出了商業版的SLM設備。圖5是典型商業應用級別的SLM打印產品（EOS公司產品）。

圖5 SLM技術制造的典型產品

SLM 技術打印的產品，組織性能比鍛件差，但比鑄件好，在航空航天（GE發動機部件）、生物醫學（人造關節、牙齒等）領域已獲得廣泛應用，更典型的產品是美國空軍利用該技術制造F-22 戰機鈦合金支架。該技術已經克服了組織性能、復雜結構打印等技術難題，未來發展方向是大型化和高效化[11]。

2.2 鈦合金LMD技術發展現狀

LMD 技術起步較SLM 技術晚，美國率先進行該技術實用化研究，有關大型LMD 增材制造技術研究也主要集中在美國。1995 年至2005 年間，在美國國防部先進研究計劃署及海軍研究辦公室等部門的資助下，美國約翰哈普金斯大學、賓夕法尼亞州立大學及MTS公司等對飛機鈦合金結構件LMD 技術進行大量研究并取得重大進展。在此基礎上，1998年MTS 公司獨資成立從事飛機鈦合金結構件LMD 技術研發和工程化應用的AeroMet 公司，與波音、洛克希德·馬丁以及諾斯羅普·格魯曼美國三大軍用飛機制造商合作，在美國空軍“鍛造計劃”（Air Force’s Forging Initiative）、陸軍制造技術計劃（Army’s Mantech Program）、國防部“軍民兩用科技計劃”（Dual Use Science and Technology Program）等資助下，致力于飛機鈦合金結構件激光快速成形技術研究及其在飛機上應用的關鍵技術研究。2000 年9 月，在波音和洛克希德·馬丁公司完成了LMD 制造鈦合金全尺寸飛機機翼次承力結構件的研究，構件靜強度及疲勞強度達到飛機設計要求；2001 年為波音公司F/A-18E/F 艦載聯合殲擊/攻擊機驗證機小批量試制了發動機艙推力拉梁、機翼轉動折疊接頭、翼梁、帶筋壁板等飛機鈦合金次承力結構件，其中F/A-l8E/F翼根吊環滿足疲勞壽命譜4 倍要求，隨后靜力加載到225%也未破壞；2002 年實現LMD 制造的鈦合金次承力結構件在F/A-18 驗證機上的裝機應用。此外，美國還其將應用于F-22鈦合金接頭的制造，試驗結果表明，其疲勞壽命高出原接頭壽命的兩倍。該技術還可廣泛用于損傷零件的修復，包括飛機腐蝕零部件、航空發動機磨損等零件的修復。比如，美國AeroMet 公司完成了F15 戰斗機中機翼梁的檢修，美國Optomec Design 公司進行了T700美國海軍飛機發動機零件的磨損修復，瑞士洛桑理工學院對單晶渦輪葉片進行了修復。然而，LMD 技術制造的鈦合金主承力結構件的疲勞性能不及鍛件，最終未能實現該技術在飛機大型構件上的應用。但是，具有低成本、短周期、高性能特點的LMD 增材制造技術仍在美國航空航天、國防工業中發揮著重要的作用。另外，德國通快等公司也相繼推出了LMD 增材制造商業化裝備。

我國LMD 增材制造領域研究起步較早，技術研究及應用方面具有良好的基礎，特別是在國家自然科學基金“重點項目”、國家“973”項目、國家“863”等重要研究計劃重點支持下，增材制造技術得以快速發展。整個研究工作主要集中于北京航空航天大學、西北工業大學、北京有色金屬研究總院、華中科技大學、清華大學等單位。國內LMD裝備發展也比較迅速，以南京煜辰、北京隆源、鉑力特、鑫精合等公司為代表的國內企業已經將裝備產品制造尺寸擴大至3～5 m。圖6為LMD技術在國產大飛機和某戰斗機鈦合金零部件上的應用[12]。

圖6 LMD技術制造的典型產品

2.3 鈦合金激光熔絲沉積技術發展現狀

目前，對鈦合金激光熔絲沉積技術的研究主要集中在成形工藝探索和典型結構件性能驗證方面，還沒有實際工程化的應用。

2.3.1 鈦合金激光旁軸熔絲沉積技術

鈦合金激光旁軸送絲沉積技術由于平臺搭建相對容易，國內外多個機構均對其有所研究。英國曼徹斯特大學的Syed和華南理工大學孫進等研究了送絲方向和位置對成形質量、成形精度、沉積效率以及成形過程穩定性的影響，探索出較為穩定的熔絲沉積工藝，獲得了成形良好的增材制造試樣[13-14]。另外，德國EADS的Baufeld E和英國諾丁漢大學的Mok等研究了Ti-6Al-4V 合金激光熔絲增材制造試樣的顯微組織和力學性能，圖7給出了其單壁墻的成形和截面形貌，可以看出單壁墻成形均勻光滑，由于傳熱方向等的影響，其沉積試件截面組織多為柱狀晶，下層靠近底板部位組織在多次焊接熱循環作用下呈等軸晶狀態[15-16]。

圖7 Ti-6Al-4V激光旁軸熔絲增材制造單壁墻成形和顯微組織

哈爾濱工業大學的Fu Yunlong 等[17]首次在水下實現了Ti-6Al-4V 合金激光旁軸熔絲沉積，研究了水下增材制造過程激光束、水和底板相互作用的機理，探索了氣流量變化對沉積層的外觀成形、幾何尺寸、顯微組織和硬度的影響。研究表明，氣體流量為20 L/min時，沉積過程穩定，成形均勻美觀，綜合力學性能較好。Ti-6Al-4V 合金水下增材制造原理如圖8所示。

圖8 水下激光旁軸熔絲制造技術原理

2.3.2 鈦合金激光同軸熔絲沉積技術

激光同軸熔絲沉積設備較為復雜，發展起步較晚，但由于較好的應用前景，逐步成為各研究機構關注的焦點。由于分光的原理不同，激光同軸熔絲沉積技術主要分為三種，即分三光束激光同軸熔絲技術、多光束集成激光同軸熔絲技術和分環形激光同軸熔絲技術，其原理和熱源分布如圖9[18]所示。德國的弗朗霍夫研究所(Fraunhofer ILT)在激光同軸熔絲技術領域基本處于壟斷地位，先后利用分三光束激光同軸熔絲技術和分環形同軸熔絲技術制造了激光同軸熔絲熔敷設備，并聯合Precitec 公司推出了商用版的分環形激光同軸熔絲熔敷設備。2022年9月，Fraunhofer ILT在激光同軸熔絲熔敷技術方面再獲突破，在分環形激光同軸熔絲沉積技術的基礎上開發出分環型激光-電弧復合同軸熔絲沉積技術——CollarHybrid，其原理和設備實物如圖10 所示。在國內，蘇州大學利用分三光束激光同軸熔絲沉積原理、重慶大學利用多光束集成激光同軸熔絲沉積原理、華中科技大學利用分環形激光同軸熔絲沉積原理分別制造出用于實驗室研究的激光同軸熔絲熔敷設備[19-21]。

圖9 激光同軸熔絲原理和熱源分布圖

圖10 同軸激光-電弧復合熔絲沉積技術原理及設備

對于鈦合金同軸熔絲激光打印工藝的研究，德國弗朗霍夫研究所（Fraunhofer ILT）和勞西茨應用技術大學、西班牙工業研究中心（Tekniker）以及法國波爾多大學先后開展了TC4鈦合金各規格焊絲的激光同軸熔絲沉積工藝探索。法國BeAM Machine公司和德國Irepa Laser公司利用激光同軸熔絲沉積技術，成功實現圓盤形零件和腔體零件的增材制造，如圖11所示[22-25]。重慶大學利用自主研制的多光束集成激光同軸熔絲沉積設備，對TC4合金增材成形工藝和熱循環過程進行研究；上海產研院利用Precitec分環形激光同軸熔絲沉積設備對直徑1.0～1.6 mm鈦合金絲材進行探索，激光器功率3 000 W，熔敷效率可達5～30 g/min，并已打印直徑60 mm、高度250 mm 的試樣，試樣由600層組成，粗糙度15 μm。此外，西安交通大學和中國船舶七二五所均利用Precitec的分環形激光同軸熔絲沉積設備進行了鈦合金零部件增材制造工藝的探索[26]。

圖11 同軸激光熔絲增材制造典型產品

3 總結與展望

（1）與傳統鈦合金加工手段相比，鈦合金激光增材制造技術在節約原材料、提高生產效率、降低成本以及滿足零部件復雜性要求方面具有巨大的優勢，是現代制造技術的一個重要發展方向。

（2）鈦合金SLM和LMD增材制造技術發展較早，同時由于其巨大的應用情景，得到了各研究機構的重視，技術發展已相對較為成熟，產品已有一定的工程化應用。但由于設備尺寸和粉末原料成本，以及制造零件尺寸的限制，沉積效率較低且成本較高。鈦合金熔絲增材制造技術有效克服了粉末材料增材制造成本高、效率低的問題，隨著激光同軸熔絲增材制造技術的不斷完善，鈦合金激光同軸熔絲增材制造技術逐步由實驗室向工程化應用，這也是增材制造技術發展的一個趨勢。

（3）目前，鈦合金熔絲增材制造過程多使用現有的焊絲作為絲材，由于增材過程的傳熱、導熱和焊接過程有著明顯的差別，因此開發針對增材制造的絲材以調節零件的組織和性能，是鈦合熔絲增材制造的又一重要方向。