高温合金3d打印技术：3D打印技术在钛合金构件生产中的应用
高温合金3d打印技术：3D打印技术在钛合金构件生产中的应用（1）快速成形，缩短交期：可直接快速成形铸件、模样，省去耗时较长的模具设计、加工及试模等工序，使工业化生产钛合金铸件交付周期由传统的2~3个月，缩短至30天或15天以内，节约70%左右时间成本，尤其适用于钛合金铸件新产品开发，可大幅缩短研制周期。3D打印以软件数字模型为基础，使用金属、高分子或陶瓷等无机非金属材料，通过热源加热材料等方式逐层堆积成形三维实体，凭借无需模具、快速性、低成本、高柔性和高集成化等优势而被广泛关注，被誉为第三次工业革命的核心技术。根据钛合金铸件传统生产工艺流程及优缺点，以缩短交期、降低成本、成形复杂结构零件为目的，3D打印金属及模样技术在钛合金铸件生产过程中应用具有显著技术优势，具体如下：1 铸造生产钛合金构件生产工艺流程及特点钛的化学活性高，为避免浇注时与铸型材料发生激烈反应，只能选择价格昂贵的石墨、氧化锆、氧化钇等作为与钛液接触的面层铸型材料，并逐渐发展形成机加
导读
钛合金铸件适合于制备复杂形状构件，可减少生产工序，并提高材料利用率。近年来，为获得传统铸造工艺无法制备结构更为复杂的钛合金构件，同时进一步降低成本，并缩短生产周期，3D打印增材制造技术在钛合金构件生产中应用获得快速发展，优势显著。系统介绍了3D打印技术在钛合金铸件生产中应用优势、分类及工艺特点、现状及发展方向。
3D打印技术又被称为“增材制造技术”、“快速成形技术”和“实体自由制造技术”等，至今已有30多年的发展历史。金属材料3D打印技术起步较晚，但发展迅速，有研究者认为金属材料3D打印技术可能在快速成形制造领域逐渐占据主导地位。金属3D打印材料主要集中在钛合金、铝合金、铁基合金领域，其中钛合金的发展最快。钛合金具有密度小、比强度高、耐高温、耐腐蚀、生物相容性好等优异特性，是一种理想的轻质耐高温结构材料，在航空航天、船舶与海洋工程、医疗、石油化工等领域应用广泛。从工业价值、资源寿命和发展前景看，钛合金仅次于铁和铝，被称为“正在崛起的第三金属”，但其材料昂贵，加工难度大，采用普通锻造、机加方法获得零件，材料利用率低，制造成本居高不下，限制了进一步推广应用。钛合金铸件工艺灵活性好，可以直接制造各种形状近净尺寸的构件，减少机加工量，提高金属利用率，并缩短生产周期，可有效降低钛合金零件制造成本。近年来，随着铸造技术提高，以及热等静压(HIP)等先进工艺的应用，钛合金铸件质量及性能已经接近变形件的水平，且裂纹扩展和抗蠕变性能优于相应的锻件，加速了钛合金铸件在航空发动机、导弹、卫星及人体植入物等领域的应用。同时，3D打印技术的发展及推广，凭借其快速制造、复杂结构零件成形方面的显著优势，为钛合金铸件生产工艺革新，提供了新的发展机遇。
国际上3D打印技术在钛合金加工成形上的应用主要有：①直接3D打印钛合金构件：采用激光选区烧结成形技术（SLS）并选择合适的钛合金粉末，根据设计好的三维零件图形通过激光源提供的能量使得钛合金粉末烧结成形逐层打印出钛合金构件；②3D打印蜡模：该应用有两种3D打印方案，一种是熔融沉积成形技术，根据三维零件图逐层打印出高分子材质零件，最后经过去支撑处理来改善打印件表面质量得到打印蜡模；另一种是采用光固化成形技术，根据三维零件图逐层打印出光敏树脂、聚苯乙烯等材质的零件，经过去支撑处理来改善打印件表面质量得到打印蜡模；③修补缺陷：采用激光立体成形技术对钛合金铸件中一些重要零件进行缺陷修复成形，如在一些大面积薄壁件上进行大体积增材修复、恢复复杂形状结构损伤局部的形状和性能，具有变形小、提高修复件力学性能等优势。
1 铸造生产钛合金构件生产工艺流程及特点
钛的化学活性高，为避免浇注时与铸型材料发生激烈反应，只能选择价格昂贵的石墨、氧化锆、氧化钇等作为与钛液接触的面层铸型材料，并逐渐发展形成机加工石墨型和熔模精密铸造两种传统主流工艺，见图1。熔模精密铸造工艺中，首先要根据钛合金零件图，考虑浇注收缩率和机械加工余量等因素，进行铸件图、射蜡模具图等工艺设计，并加工射蜡金属模具，使用射蜡机和射蜡模具压制的蜡模，经挂浆撒砂、干燥焙烧等工序后，完成陶瓷型壳制备，再进行真空浇注获得铸件。与熔模精密铸造工艺不同，机加工石墨型铸造是使用优质高纯石墨作为铸型材料加工石墨型，浇注获得钛合金铸件。上述两种工艺均存在工序流程长、装备工艺复杂、铸型成本高的问题。
图1 钛合金铸件生产主要工艺流程
3D打印以软件数字模型为基础，使用金属、高分子或陶瓷等无机非金属材料，通过热源加热材料等方式逐层堆积成形三维实体，凭借无需模具、快速性、低成本、高柔性和高集成化等优势而被广泛关注，被誉为第三次工业革命的核心技术。根据钛合金铸件传统生产工艺流程及优缺点，以缩短交期、降低成本、成形复杂结构零件为目的，3D打印金属及模样技术在钛合金铸件生产过程中应用具有显著技术优势，具体如下：
（1）快速成形，缩短交期：可直接快速成形铸件、模样，省去耗时较长的模具设计、加工及试模等工序，使工业化生产钛合金铸件交付周期由传统的2~3个月，缩短至30天或15天以内，节约70%左右时间成本，尤其适用于钛合金铸件新产品开发，可大幅缩短研制周期。
（2）简化流程，降低成本：一方面，3D打印无需模具、石墨型、工装设计及加工，节省了高昂的制作费用，特别适合于多品种、单件或小批量生产的钛合金铸件，成本优势显著；另一方面，利用3D打印工艺设计及制造灵活性的特点，实现零件的一体成形制造，减少传统工艺多零件分体设计、制造、焊接、热处理、机加工等复杂工序及成本，提高材料利用率，实现降本增效。
（3）设计自由，生产柔性：3D打印技术是采用逐层堆积成形方法打印金属、模样，无需开模具，不受铸造分型、斜度等工艺设计限制，可对铸件结构进行拓扑优化及一体化成形设计，铸件结构设计灵活自由，能够制造出传统工艺无法生产的复杂结构钛合金铸件产品，更好的发挥钛合金铸件在减重等方面的优势；此外，3D打印呈现高度数字化、信息化、集成化特点，生产效率和成本受铸件结构影响较小，可实现柔性生产，且与传统铸造工艺相比，钛合金铸件品种越多、结构越复杂、数量越有限，柔性生产经济性越显著。
此外，3D打印钛合金构件作为一种先进的一体化加工方案，可一次性完成传统构件铸、锻、焊、机加工等多工序制造方案，在生产周期、减重、综合降本等方面优势突出，应用趋于广泛。例如，对于单件或小批量生产，承受静载荷翼舵类、弯管、支架、天线罩等非标钛合金构件，其传统工艺方案为“铸造→机加工→焊接”，而采用3D打印一体化加工方案，可以实现仿生学拓扑优化、复杂异形结构一体化设计及成形，生产周期、构件减重、综合成本得到大幅改善。
2 3D打印钛合金构件技术及应用
与采用传统铸造方法生产钛合金构件相比，使用金属粉体或丝材等原料，直接3D打印制备钛合金构件，无需模具设计、加工、制壳、浇注、清壳等工序，从三维模型到完成构件原型制作通常只需几个小时到几十个小时，是目前钛合金构件成形流程最短、时间最快、可成形结构最复杂的制备方法。同时，3D打印钛合金构件为结构设计、优化提供了最大自由度，为分体式零件轻量化、一次性整体设计和制造提供了有效解决方案，可成形复杂、个性化结构，制作的零件无需拼焊，一致性好，解决了传统方式带来的增重、密封性差和结构件整体强度刚度低等问题。此外，传统浇注工艺设置的浇注系统产生了大量废料，导致钛合金铸件材料利用率不足50%，对于复杂薄壁钛合金铸件甚至不足30%，而3D打印钛合金构件无需浇注系统，几乎没有原料浪费，且一体轻量化结构设计有利于构件的减重，因此材料利用率大幅提高，尤其在单件、小批量、异形复杂结构构件生产中成本优势突出。
3D打印钛合金构件具有的上述优势，使其在航空航天领域获得了快速发展，同时在医疗、汽车、快速制造等领域和场景也具有广泛的应用前景。迄今为止，国内外已发展成熟的金属零件快速成形技术有选择性激光烧结(SLS)、激光快速成形(LSF)、电子束成形(EBM)等，而按照送粉方式区分，SLS和EBM属于铺粉成形，LSF属于喷粉成形。在工程化应用方面，美国波音与洛马、法国SAFRAN、英国罗罗、意大利AVIO等国外世界知名公司都对3D打印钛合金构件技术展开了大量研究，其中美国走在了前列。2001~2005年间，美国AeroMet公司采用3D打印技术为波音公司制造了F/A-18E/F舰载联合歼机/攻击机钛合金次承力结构件，主要包括航空翼根吊环和大型钛合金翼梁，铸件尺寸分别达到900 mm×300 mm×150 mm、2 400 mm×225 mm×100 mm，并实现了装机应用，见图2。2017年，美国空客公司在其A380客机上安装了首个由3D打印制造的一体化设计、复杂结构钛合金主飞行控制液压元件，并顺利完成飞行测试，见图3。近年来，国内3D打印钛合金构件应用发展迅速。通过长期研究，北京航空航天大学先后研制，并掌握了TA15、TC4、TC11等钛合金大型、复杂、整体、主承力飞机关键构件3D打印技术，并实现了C919大型客机在内的多型号飞机装机应用，图4为某型号飞机“眼镜式”钛合金加强框。2012年，西北工业大学与中国商飞合作研制的大飞机C919中央翼缘条钛合金3D打印金属通过了性能测试，其尺寸为3 000 mm×350 mm×450 mm，质量为196 kg；同时，西北工业大学采用3D打印技术还研制了轴承座后机匣、超音速飞行器方向舵、复杂内部结构零件等构件。钛合金3D打印技术在零件快速修复及制造方面优势显著，可有效延长零件使用寿命、减少备品备件，提升军事装备作战能力。此外，3D打印技术在个性化、复杂三维结构及难加工医疗器械制造中具有无可比拟的优势，非常适合钛合金骨科植入物医疗器械制造，使植入物外形和力学性能与人体自身骨骼实现理想双重适配，目前已经实现商业化应用。
图2 钛合金吊环和翼梁零件
图3 钛合金扰流板促动器阀块
图4 钛合金主承力构件加强框
3 3D打印模样技术及应用
通过高分子材料3D打印模样，并使用熔模精密铸造技术制壳、浇注生产钛合金铸件，已经实现了工业化成熟应用。与3D打印钛合金构件相比，虽然生产流程有所增加，但由于模样制备成本低，可获得传统钛合金精铸件组织性能，在钛粉成本未实现大幅降低条件下，该方法用于单件、小批量、或不易开金属模具钛合金铸件生产，能够快速、精确地制造出任意复杂的零部件模型，在缩短生产周期、降低成本方面具有更为显著的综合优势。3D打印模样需具备足够强度和较少灰分含量，以满足制壳抑制变形，减少浇注掉渣夹杂质量风险。目前，3D打印模样材质主要有3种，即光敏树脂模（SLA模）、聚苯乙烯模（PS粉模）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA粉模）。SLA模是基于光固化快速成形技术（SLA），以液态树脂为原料制作而成，其生产的钛合金铸件具有尺寸精度高、表面粗糙度低等优点，但制模成本高于另外两种工艺。图5为SLA模样、模壳及钛合金铸件。PS粉模（见图6）和PMMA粉模（见图7）相似，分别采用颗粒烧结和粘结方法制模，虽然成本较低，但尺寸精度和表面粗糙度不及SLA模。3种打印模样技术特点、成本对比情况见表1，需要在实际生产中，根据质量和成本因素综合考虑选择。
图5 SLA模样、模壳及钛合金构件
图6 PS粉模
图7 PMMA粉模
4总结
与钢铁、铝合金铸件不同，钛合金铸件昂贵，产量低、结构复杂特性，因此非常适宜采用3D打印技术，以降低铸件综合成本，缩短生产周期。近年来，3D打印技术在钛合金铸件生产中虽然实现了快速应用，但仍然存在产业发展瓶颈，需要产业链企业共同努力解决。存在的问题及发展趋势主要包括以下几方面：
（1）提高3D打印钛合金构件质量及稳定性。针对粉体、丝棒材等钛合金打印原料加工性能，以及打印设备、参数不当，均会导致钛合金零件出现球化、裂纹、空隙及翘曲变形等问题，实现细粒径、低氧含量、高球形度合金粉末的制备，并持续从打印原料、打印设备和工艺等方面进行系统整体发展和提升，以保证铸件的质量和稳定性。
（2）降低生产成本。尽管3D打印技术能够简化钛合金铸件生产工艺流程，提高原料利用率，但由于钛合金粉体价格昂贵，使得3D打印钛合金构件成本居高不下。因此，创新制粉工艺技术，大幅降低钛合金粉体成本，同时推进SLA模、PS粉模、PMMA粉模降本，是实现3D打印技术在钛合金铸件生产中广泛应用的基础。
（3）提高技术成熟度，建立完善的标准体系。一方面，搜集整理数据，加大3D打印钛合金构件应用评价；另一方面，需要行业整合资源，发展并建立钛合金粉体、3D打印装备和工艺、3D打印钛合金构件及其无损检测方法和标准体系，为应用领域设计人员提供可靠标准体系支撑，也是影响3D打印技术进一步发展的决定因素。
（4）3D打印模壳新技术发展。陶瓷3D打印是近年来刚兴起的一种快速成形技术，将其应用于传统钛合金熔模精密铸造工艺中，使陶瓷膏体直接打印型壳来取代传统的模样制备，与3D打印模样相比，不仅可以进一步缩短流程，同时可避免模样灰分残留、胀壳导致的钛合金铸件掉渣夹杂质量问题。
引用格式：李渤渤，田永武，温方明，等．3D打印技术在钛合金构件生产中的应用[J]．特种铸造及有色合金，2021，41(9)：1144-1147.
