隨著3D打印技術(shù)的不斷進(jìn)步，鈦合金在航空航天、醫(yī)療和消費(fèi)電子等領(lǐng)域的應(yīng)用也在不斷擴(kuò)大。例如，鈦合金因其優(yōu)良的強(qiáng)度和輕量化特性，逐漸被應(yīng)用于手機(jī)等消費(fèi)電子產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)件。針對鈦合金的特殊需求，研究者們正在探索新型合金的設(shè)計(jì)策略，以實(shí)現(xiàn)更好的性能。例如，研究表明通過添加特定元素（如鉬）可以改善鈦合金的微觀組織，進(jìn)而提高其力學(xué)性能和疲勞壽命。鈦合金3D打印的研究趨勢正朝著提升材料性能、減少缺陷、擴(kuò)展應(yīng)用領(lǐng)域和新型合金設(shè)計(jì)等方向發(fā)展。這些研究不僅推動(dòng)了鈦合金的應(yīng)用，也為3D打印技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

    本期，通過節(jié)選近期國內(nèi)在鈦合金3D打印方面的實(shí)踐與研究的多個(gè)閃光點(diǎn)，與網(wǎng)友一起來領(lǐng)略的這一領(lǐng)域的研究近況。

“ 3D Science Valley 白皮書 圖文解析

”

3D科學(xué)谷洞察

“隨著新型鈦合金材料的研發(fā)，如具有更高強(qiáng)度、高韌性、耐高溫特性的材料，鈦合金3D打印的應(yīng)用范圍將進(jìn)一步拓展。同時(shí)，工藝優(yōu)化和智能化控制將提高打印精度和效率，降低成本，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。”

 3D打印超均勻高性能鈦合金

侯自勇1,2張敬奇3Michael J.Bermingham3劉印剛3楊楠3尹宇3藺偉康3Mohamad Bayat4靳慎豹5沙鋼5Matthew S.Dargusch3黃曉旭1
1.重慶大學(xué)輕合金材料國際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室2.瑞典皇家理工學(xué)院3.昆士蘭大學(xué)4.丹麥科技大學(xué)5.南京理工大學(xué)

摘要：

增材制造(又稱3D打印)作為一種靈活高效的材料制備手段,為新型合金設(shè)計(jì)和產(chǎn)品開發(fā)提供了新機(jī)遇。對于凝固過程初生相為立方晶胞晶體結(jié)構(gòu)的金屬材料,初生晶粒通常沿著熔池最大溫度梯度方向擇優(yōu)生長,并且在重熔的條件下呈現(xiàn)很強(qiáng)的外延生長傾向。雖然這種具有強(qiáng)織構(gòu)的柱狀晶結(jié)構(gòu)對某些特定的應(yīng)用有利,但是由于它不僅降低材料的力學(xué)性能(尤其是強(qiáng)度)并且還導(dǎo)致力學(xué)性能出現(xiàn)各向異性,所以通常被認(rèn)為是不利組織。另一方面,3D打印所經(jīng)歷的超快速凝固、內(nèi)稟熱循環(huán)等,會(huì)對沉積材料產(chǎn)生”原位熱處理”效應(yīng),導(dǎo)致初生相的分解或者新相的析出,進(jìn)而致使打印構(gòu)件內(nèi)的組成相沿著打印方向呈現(xiàn)不均勻分布。前人提出了不同的方法來促進(jìn)柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變和晶粒細(xì)化。

常用方法主要包括工藝控制和添加晶粒細(xì)化劑,其中工藝控制方法主要有調(diào)控3D打印參數(shù)或者引入外部干擾。然而,這種方法的適用性通常局限于特定的合金或者3D打印技術(shù)。另外,添加晶粒細(xì)化劑的方法雖然行之有效,但是通常會(huì)引入或者生成脆性第二相,導(dǎo)致打印構(gòu)件的塑性嚴(yán)重下降。尤其對于鈦合金,實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化同時(shí)不降低塑性,比其他常用合金(例如鋁合金)更具有挑戰(zhàn)性。雖然打印后均勻化熱處理通常能夠消除組成相的不均勻性,但是會(huì)增加部件的生產(chǎn)時(shí)間與成本,同時(shí)對消除柱狀晶的作用有限。

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”

因此,3D打印構(gòu)件內(nèi)部強(qiáng)織構(gòu)柱狀晶與不均勻分布組成相兩者共存,對獲得均勻且優(yōu)異的力學(xué)性能帶來了極大的難度。針對上述問題,研究團(tuán)隊(duì)從合金設(shè)計(jì)角度出發(fā),結(jié)合相變熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果,以典型工業(yè)用鈦合金為研究對象,開展了深入系統(tǒng)研究,主要取得了以下成果:(1)以Ti-6Al-4V為研究對象,通過添加適量CP-Ti和Fe2O3,以稀釋擴(kuò)散速率較慢的V、引入擴(kuò)散速率較快的Fe,提供O強(qiáng)化基體,彌補(bǔ)強(qiáng)度損失,調(diào)控打印過程中相變發(fā)生的臨界條件和速度,打印材料在各階段均能獲得成分均勻的相(組織),消除了性能不均勻性。新合金與傳統(tǒng)Ti-6Al-4V合金具有相似的腐蝕行為,鈍化區(qū)域均在0.5V以上,CP-Ti和Fe2O3顆粒復(fù)合添加,抵消少量Fe和O對腐蝕性能的惡化。(2)以Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr為模型合金,通過添加鉬(Mo)納米顆粒,實(shí)現(xiàn)了單一添加物的雙重功能性:在凝固過程,半熔融顆粒為初生β-Ti相提供形核質(zhì)點(diǎn),通過晶粒細(xì)化消除柱狀晶組織;在固態(tài)相變過程,熔融的鉬溶質(zhì)在半熔融鉬顆粒周圍提供一個(gè)成分過冷區(qū),從而促進(jìn)異質(zhì)形核,抑制有害相析出。雙功能性添加劑帶來的微觀組織變化使合金具有均勻的機(jī)械性能,并同時(shí)提高了強(qiáng)度和延展性。上述研究成果展示了如何通過單組分改性這種合金來解決不利的微觀結(jié)構(gòu)問題,為直接通過3D打印獲得理想的機(jī)械特性提供了途徑。此外,該研究以合金設(shè)計(jì)指導(dǎo)3D打印,拓展了3D打印制備性能均勻合金的廣度,為制備具有均勻性能的未知結(jié)構(gòu)合金提供了新的解決思路和方案。

 選區(qū)激光熔化成形鈦合金
     薄壁件熱行為及打印極限高度研究

彭凱、蔡高參、胡彪
浙江理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

摘要：

為了研究鈦合金薄壁件在選區(qū)激光熔化工藝下的熱行為及工藝參數(shù)對打印極限高度的影響，采用理論建模、模擬仿真和正交試驗(yàn)法等手段開展了鈦合金薄壁件在復(fù)雜熱循環(huán)作用下的熱行為及打印極限高度研究。分別從單層單道、單層多道和多層單道展開研究。

模擬結(jié)果表明，對于單層單道成形，當(dāng)激光束從節(jié)點(diǎn)N1移動(dòng)到節(jié)點(diǎn)N3時(shí)，熔池峰值溫度和最大冷卻速率逐漸增加；對于單層多道成形，當(dāng)激光束從第1道掃描至第3道時(shí)，熔池尺寸和熔池峰值溫度呈遞增趨勢；對于多層單道成形，當(dāng)激光束從第1層掃描至第5層時(shí)，熔池尺寸呈遞增趨勢。試驗(yàn)結(jié)果表明，打印極限高度與激光功率成正相關(guān)，與掃描速度呈負(fù)相關(guān)，隨著掃描間距的增加先增加后減小，且與激光能量密度呈線性增長趨勢。

 基于元胞自動(dòng)機(jī)的金屬
     增材制造孔洞附近微觀組織模擬

陳逸飛1周金宇2王林3
1.江蘇理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院2.金陵科技學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院3.南京鋮聯(lián)激光科技有限公司

摘要：

基于元胞自動(dòng)機(jī)和粉末尺度的熱流耦合模型，提出一種氣孔處三維微觀組織模擬方法。利用MATLAB構(gòu)建元胞自動(dòng)機(jī)模型，對增材制造鈦合金Ti-6Al-4V的二維微觀組織進(jìn)行模擬，其模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。

通過FLOW-3D和EDEM軟件聯(lián)合仿真，利用有限體積法對三維多道次的粉末床熔融過程進(jìn)行仿真，得到了溫度場信息。將元胞自動(dòng)機(jī)模型拓展到三維尺度，把得到的溫度場數(shù)據(jù)導(dǎo)入元胞自動(dòng)機(jī)模型，對孔洞位置處的微觀組織進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了微觀組織分布。

該方法有助于構(gòu)建金屬增材制造工藝設(shè)計(jì)、缺陷表征、性能評價(jià)多尺度模型，以及用于晶粒、缺陷分布和疲勞壽命等信息預(yù)測。

 電子束增材制造TA7-TC4
     雙鈦合金的組織性能研究

李洪全1孫寶福1寧薇1莫力林2
1.桂林理工大學(xué)機(jī)械與控制工程學(xué)院2.桂林獅達(dá)技術(shù)股份有限公司

摘要：

采用真空電子束熔絲沉積制備TA7-TC4雙鈦合金試樣，通過對電子束增材制造雙鈦合金在TC4側(cè)、TA7側(cè)以及中間過渡區(qū)的組織特征進(jìn)行研究，分析合金的組織結(jié)構(gòu)、硬度、力學(xué)性能、斷裂方式及斷口形貌。

“ 3D Science Valley 白皮書 圖文解析

 ”

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雙鈦合金TA7側(cè)內(nèi)部組織晶粒主要以塊狀α組織為主，TC4側(cè)可以看到明顯的針狀馬氏體轉(zhuǎn)變相垂直過渡層生長且在過渡層斷開，存在明顯各向異性；TA7-TC4雙鈦合金沉積試樣拉伸力學(xué)性能介于TA7與TC4兩種合金之間，塑性相對較好；雙鈦合金沉積試樣的硬度表現(xiàn)為：TA7側(cè)<過渡區(qū)<TC4側(cè);斷口分析發(fā)現(xiàn)過渡層界限清晰，斷面呈杯錐狀，剪切斷裂明顯。

 激光重熔對激光粉末床熔合制備
     Ti-6Al-4V合金熱穩(wěn)定性的影響機(jī)制研究

詹宇星、楊揚(yáng)
中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

摘要：

研究了激光重熔(LR)對激光粉末床熔合(LPBF)制備Ti-6Al-4V合金的組織性能和熱穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，LR處理后，LRed-Ti-6Al-4V鈦合金樣品內(nèi)α′相熱穩(wěn)定性顯著提升，β-Ti相出現(xiàn)的溫度點(diǎn)由500℃升至700℃。熱處理后，LPBF-Ti-6Al-4V鈦合金內(nèi)晶粒持續(xù)生長，700℃以上出現(xiàn)明顯的“短棒狀”和“粗層片狀”特征；而LRed-Ti-6Al-4V樣品表層熔化區(qū)內(nèi)晶粒仍維持等軸特征，700℃以上的熔化區(qū)和熱影響區(qū)內(nèi)呈現(xiàn)較為均勻細(xì)小的針狀組織。

兩組樣品的表面顯微硬度值隨溫度升高而不斷降低，并且分別在700℃和850℃顯著下降，β-Ti晶粒的迅速粗化是引起硬度下降的主要原因。

 基于增材制造的鈦合金構(gòu)件
     低溫疲勞行為與機(jī)理研究

吳自越
北方工業(yè)大學(xué)

摘要：

增材制造中的選擇性激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)作為一種先進(jìn)的制造技術(shù),能夠高效制造復(fù)雜的金屬構(gòu)件。與傳統(tǒng)工藝制造的構(gòu)件相比,SLM構(gòu)件通常表現(xiàn)出較高的強(qiáng)度和硬度,并伴隨著較低的塑性。SLM構(gòu)件中不可避免的會(huì)產(chǎn)生孔隙等缺陷,會(huì)影響構(gòu)件的力學(xué)與疲勞性能,而在低溫環(huán)境下可能會(huì)對構(gòu)件疲勞性能造成更嚴(yán)重的影響。

“ 3D Science Valley 白皮書 圖文解析

”

本課題通過SLM制備了Ti-6Al-4V拉伸試樣,開展了室溫和低溫(77K)拉伸試驗(yàn)。

結(jié)果表明,SLM Ti-6Al-4V試樣在室溫下展現(xiàn)出了與傳統(tǒng)軋制Ti-6Al-4V試樣相近的力學(xué)性能,且具有良好的加工硬化性能,在低溫下屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度進(jìn)一步提升,但塑性有所降低。基于ABAQUS疲勞分析模塊,建立了孔隙缺陷不同形狀、位置、大小、相互距離、數(shù)量及孔隙率的模型,研究了不同孔隙缺陷對SLM Ti-6Al-4V試樣疲勞壽命的影響規(guī)律。

結(jié)果表明,含有孔隙缺陷的試樣比無缺陷試樣疲勞壽命降低了一個(gè)數(shù)量級,試樣含有非球型孔隙缺陷比含有球型孔隙缺陷對疲勞壽命影響更為顯著。半徑在10-30μm時(shí),內(nèi)部孔隙缺陷比表面孔隙缺陷對疲勞壽命影響更為顯著;半徑在40-70μm時(shí)則相反;孔隙缺陷距自由表面越近對疲勞壽命的影響越顯著。孔隙率小于1%時(shí)孔隙缺陷半徑越大,試樣疲勞壽命變化幅度越大;孔隙率在1%-5%之間時(shí)混合孔隙缺陷的試樣疲勞壽命最低,含有不同排列的混合孔隙缺陷的試樣疲勞壽命會(huì)在一個(gè)范圍內(nèi)波動(dòng)。將損傷本構(gòu)模型編寫進(jìn)USDFLD子程序并耦合到ABAQUS,使用非線性隨動(dòng)硬化和各向同性硬化的混合硬化模型來描述彈塑性行為,模擬了不同應(yīng)變幅下的低周疲勞損傷演化以及材料的疲勞壽命,分析了SLM Ti-6Al-4V材料中孔隙缺陷的大小對試樣疲勞壽命的影響。

結(jié)果表明,損傷模型預(yù)測壽命與試驗(yàn)壽命吻合較好,預(yù)測壽命平均誤差為5.392%。對Ti-6Al-4V和SLM Ti-6Al-4V材料進(jìn)行疲勞壽命模擬,模擬數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)吻合較好。SLM Ti-6Al-4V材料中孔隙缺陷在高應(yīng)力時(shí),半徑在0.025mm和0.03mm時(shí),疲勞壽命的變化趨勢出現(xiàn)拐點(diǎn);在低應(yīng)力時(shí),半徑在0.02mm、0.03mm和0.05mm時(shí),疲勞壽命的變化趨勢出現(xiàn)拐點(diǎn)。建立了葉輪構(gòu)件的有限元模型,分析了葉輪構(gòu)件的應(yīng)力與損傷分布特點(diǎn),探究了溫度對葉輪構(gòu)件疲勞壽命的影響規(guī)律。

結(jié)果表明,使用應(yīng)力應(yīng)變曲線替代循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行簡化計(jì)算,得到低溫下疲勞壽命的變化趨勢與文獻(xiàn)結(jié)果相近。在葉根位置存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象,同時(shí)也是構(gòu)件產(chǎn)生疲勞損傷的位置。低溫條件下構(gòu)件的疲勞壽命顯著低于室溫條件下的疲勞壽命。在低應(yīng)力區(qū),20K與77K條件下構(gòu)件的疲勞壽命相差不大;在高應(yīng)力區(qū),20K條件下構(gòu)件的疲勞壽命顯著低于77K條件下的疲勞壽命;隨著應(yīng)力的增高,低溫疲勞壽命受溫度變化的影響進(jìn)一步增大。

 層間強(qiáng)制冷卻對電弧熔絲
     增材制造鈦合金溫度場和流場的影響

張?jiān)剖?鄭登勇2邵丹丹2徐暉2徐仁3吳斌濤1
1.寧夏大學(xué)材料與新能源學(xué)院2.中船黃埔文沖船舶有限公司廣東省艦船先進(jìn)焊接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3.中船桂江造船有限公司

摘要：

電弧熔絲增材制造（wire arc additive manufacturing,WAAM）工藝具有設(shè)備成本低、制造效率高等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于航空航天、艦船、武器裝備等制造領(lǐng)域，但沉積過程中的熱積累容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)成形效率、成形精度及成形質(zhì)量下降。而層間強(qiáng)制冷卻可以有效控制材料的沉積形貌和性能。采用數(shù)值模擬方法研究了不同冷卻條件下電弧熔絲增材制造鈦合金的熔池溫度場和流場，分析了層間強(qiáng)制冷卻對增材鈦合金熔池的影響。

結(jié)果表明，層間強(qiáng)制冷卻可以有效降低熔池的預(yù)熱溫度，緩解材料沉積過程中的熱量積累，降低熔池流體流動(dòng)速度，從而限制流體的流動(dòng)范圍，影響熔池尺寸成形。

 電子束熔絲增材制造
     Ti-6Al-4V鈦合金研究進(jìn)展

王明志1胡嘉南1,2,3辛社偉4張思遠(yuǎn)4劉志博1張家豪1楊義1王皞1
1.上海理工大學(xué)材料與化學(xué)學(xué)院2.中國科學(xué)院金屬研究所師昌緒先進(jìn)材料創(chuàng)新中心3.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院4.西北有色金屬研究院

摘要：

電子束熔絲增材制造技術(shù)因其電子束能量密度高、所處真空環(huán)境等優(yōu)勢，逐漸成為金屬增材制造領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。回顧了電子束熔絲增材制造技術(shù)的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀，介紹了一種新型電子束熔絲增材制造技術(shù)——同軸送絲電子束熔絲增材制造。

結(jié)合作者課題組近幾年的研究工作，針對Ti-6Al-4V鈦合金的成形缺陷、顯微組織及力學(xué)性能，對傳統(tǒng)電子束熔絲增材制造技術(shù)和同軸送絲電子束熔絲增材制造技術(shù)進(jìn)行了對比論述，其中同軸送絲電子束熔絲增材制造有望沉積β晶粒更細(xì)、更等軸的鈦合金構(gòu)件。最后結(jié)合當(dāng)前研究存在的不足，對電子束熔絲增材制造的發(fā)展給出了建議。

 鈦合金激光送絲沉積
     增材制造技術(shù)研究進(jìn)展

姚俊卿1劉鑫旺1劉潔1趙宇凡2單飛虎3陳西鋒4商國強(qiáng)5陳素明6張亞州6于飛7閆春澤1史玉升1
1.華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,材料成形與模具技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2.西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3.中國航空制造技術(shù)研究院,增材制造航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室4.中國航空工業(yè)集團(tuán)公司西安飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所5.中國航發(fā)北京航空材料研究院,先進(jìn)鈦合金航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室6.中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司7.中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所

摘要：

與其它鈦合金成形工藝相比，激光送絲沉積增材制造技術(shù)既能夠制造出結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸精度高、綜合性能好的鈦合金關(guān)鍵構(gòu)件，又能克服傳統(tǒng)鈦合金增材制造技術(shù)存在的成本高、材料利用率低和效率低等問題。

目前激光送絲沉積技術(shù)正處于實(shí)驗(yàn)室向工程化應(yīng)用的過渡階段，通過建立材料-工藝-組織-性能的一體化設(shè)計(jì)、制造與調(diào)控理論方法是突破現(xiàn)有問題的發(fā)展方向，國內(nèi)外研究者在此方面開展了許多探索工作。本文總結(jié)介紹了鈦合金激光送絲沉積技術(shù)的基本原理和工藝分類，討論了激光送絲沉積鈦合金的組織、性能及調(diào)控方法的研究進(jìn)展，并展望其未來研究目標(biāo)與發(fā)展趨勢。

 增材制造Ti基
     復(fù)合材料的研究進(jìn)展

宮書林、張煜、宋美慧、李巖、李艷春
黑龍江省科學(xué)院高技術(shù)研究院

摘要：

隨著航空航天、汽車工業(yè)等領(lǐng)域的快速發(fā)展，Ti基復(fù)合材料(TMCs)因其高強(qiáng)度、低密度、高溫耐久性和優(yōu)異的耐磨性而受到廣泛的關(guān)注，通過增材制造技術(shù)制備的Ti基復(fù)合材料有著廣泛的應(yīng)用前景。在Ti基材料中添加合適的強(qiáng)化相可改變復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能。

介紹了幾種常用的增材制造方法及其特點(diǎn)，包括選區(qū)激光熔化(SLM)、激光金屬沉積技術(shù)(LMD)、電子束熔化技術(shù)(EBM)和激光近凈成形技術(shù)(LENS),綜述了通過原位反應(yīng)生成和直接添加強(qiáng)化相對Ti基復(fù)合材料的影響，為進(jìn)一步研究增材制造增強(qiáng)鈦合金及復(fù)合材料性能提供了理論依據(jù)。

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