中国航发等 l DED定向能量沉积增材制造钛合金工艺近期研究

根据3D科学谷，航空增材制造需求的金属选择已扩大到包括铝合金、不锈钢、钛合金、镍基和铁基高温合金、铜合金和耐火合金。根据3D科学谷市场研究战略合作伙伴AMPower, 2022年全球增材制造金属材料的销量大约为6852吨（约9.5亿欧元），该市场有望以44%的年增长率在2027年达到4.2万吨（约30亿欧元），其中镍基高温合金年增长率约为37%，钛合金年增长率约为28%。

本期，通过节选国内在DED定向能量沉积钛合金增材制造领域的实践与研究，3D科学谷与谷友一起来领略快速发展的钛合金3D打印。

©3D科学谷白皮书

2014-2024

电子束熔丝增材制造

TC11钛合金组织及力学性能

张国栋、张鹏、高健时、余槐、袁鸿、丁宁、熊华平

1. 中国航发北京航空材料研究院3D打印研究与工程技术中心2. 空军装备部驻北京地区第六军事代表室

摘要：采用电子束熔丝增材工艺制造了直径260 mm的试环。分析了不同热处理状态的增材制造TC11钛合金微观组织和室/高温拉伸性能及其各向异性。并测试分析了锻件基体晶粒2次热处理和锻件基体与增材界面处的组织和性能。

结果表明：沉积态微观组织为沿<001>β方向生长的柱状晶。晶界存在连续α相，晶体内部由集束和网篮α相组成的片层组织。经950℃/2h/空冷+530℃/6h/空冷的热处理后晶界连续α相破碎，晶内α相宽度从1.1μm增加至1.8μm。并形成具有二次α相的双片层组织。锻件与增材过渡区锻件一侧，等轴初生α相转变为“雪花”状初生α相。锻件基体2次热处理后等轴初生α相轮廓光滑，转变β相比例增加，并形成大量细小的针状二次α相。沉积态室温及500℃高温拉伸性能均具有明显的各向异性。经过热处理后室/高温拉伸性能均获得改善并高于锻件要求且各向异性明显降低。与沉积态相比，热处理态室温抗拉强度和断后伸长率各向异性分别从4.4%和27.1%降低至1.6%和5.4%。柱状晶及其晶界连续α相是引起塑性各向异性的原因。锻件+增材界面处热处理后其室/高温拉伸性能均满足锻件要求。

电弧增材制造钛合金

成形工艺与过程控制

鲁涛、敬石开、聂靖轩、徐田秋、李昌远、刘长猛

北京理工大学机械与车辆学院

摘要：电弧增材制造（wire arc additive manufacturing, WAAM）技术被认为是制造大型钛合金构件最具前景的增材制造技术之一。然而，成形过程稳定性差、成形件表面质量及尺寸精度低是制约WAAM钛合金构件推广运用的主要瓶颈，对WAAM成形过程进行实时监测及反馈控制是解决这一难题的重要研究方向，也是当前WAAM钛合金研究的热点之一。对于WAAM钛合金的高效稳定成形而言，成形机制的研究是基础，工艺及装备的优化是保证，成形过程的监测与控制是关键。简要介绍了WAAM钛合金的成形工艺、装备及其运用，指出了成形件组织及力学性能的特点及其调控方法。

通过对WAAM钛合金常见缺陷及其形成机制的分析，指出了WAAM装备设计与工艺优化的方向。总结了WAAM成形过程中基于视觉信号、电信号、声信号及多信号融合的在线监测方法，综述了成形过程控制方法及控制系统的发展。最后，对全文进行了总结，展望了未来WAAM钛合金成形与控制领域值得深入研究的方向。

钛合金增材制造

成形偏差及累积机制

康兴泰、陈洪杰、李文锋、茅仪铭、尹清远、韦辉亮

南京理工大学机械工程学院

摘要：激光定向能量沉积（L-DED）是一种点、线、面逐步升维的制造工艺，广泛应用于中大型复杂构件的生产制造。但是在小型构件沉积时会出现比较大的沉积偏差，尤其在极小角度和极小尺寸情况下尤为显著。为此，通过建立的数值模拟模型，系统研究了Ti-6Al-4V (Al:5.5%～6.75%, V:3.5%～4.5%，余量为Ti)两边形构件小角度极沉积、三角形构件极小尺寸沉积，并通过结构温度场以及熔池流场的变化，分析了沉积偏差变化规律和累积机制。

结果表明，沉积偏差受到沉积角度和沉积尺寸的影响，单层两边形构件沉积角度由45°变化到15°时，沉积偏差从0.24%变化到1.14%; 10层三角形构件尺寸由14～10 mm变化时，沉积偏差从0.24%变化到5.46%。研究成果为构件几何结构参数的合理制定，以及沉积过程工艺参数选择的可行性提供了有益的启示，对控制小型构件的沉积精度有重要作用。

复合热源钛合金熔丝

高质量增材制造工艺研究

冯启高、王琳鑫、王磊、马利杰、汤永凯、李波波

1. 河南科技学院机电学院2. 西安交通大学高端制造装备协同创新中心3. 西安增材制造国家研究院有限公司

摘要：针对钛合金熔丝增材制造零件表面粗糙度差、尺寸精度低的问题，提出了高质量复合热源熔丝成形工艺。以激光和焦耳热为热源，选用直径为0.3 mm的TC4钛合金细丝为沉积材料，首先通过焦耳电流预热金属丝，然后以低功率激光加热形成小尺寸熔池，随着基板的运动，金属丝被持续送入熔池并稳定沉积。通过单道沉积试验，研究了工艺参数对单道沉积层几何特征的影响规律。

结果表明：当激光功率在50～200 W、送丝速度在60～360 mm/min的范围内变化时，工艺参数对沉积层几何特征的影响显著；当移动速度在30～360 mm/min的范围内增加时，沉积层宽度减小，高度稳定；当焦耳电流增大至10 A时，出现了周期性丝材熔断，恶化了沉积形貌和沉积稳定性。在稳定沉积参数组合（激光功率为125 W，送丝速度为240 mm/min，移动速度为300 mm/min，焦耳电流为8 A）的基础上，以25 W的降序功率梯度进行过渡，优化了坍塌、变形等缺陷，获得了高质量的钛合金薄壁件，其表面粗糙度（Ra）为1.776μm，平均壁厚为0.648 mm，平均壁厚偏差为0.004 mm，优于主流的送丝增材制造工艺，且沉积态试样在移动方向和沉积方向的拉伸强度分别为（918.91±9.54）MPa和（926.516±22.52）MPa。

层间强制冷却对电弧熔丝增材制造

钛合金温度场和应力场的影响

张云舒、邵丹丹、丁东红、吴斌涛

1. 宁夏大学材料与新能源学院2. 中船黄埔文冲船舶有限公司焊接技术室3. 南京工业大学机械与动力工程学院

摘要：电弧熔丝增材制造中热量积累容易造成零部件成形质量差、沉积效率低等问题。层间强制冷却有利于提高电弧熔丝增材制造效率、改善成形质量，从而获得了一定关注。基于有限元数值模拟分析，模拟了自然对流冷却和层间强制冷却下电弧熔丝增材制造Ti6Al4V钛合金成形过程，分析了层间强制冷却对增材钛合金墙体结构温度场与应力场的影响，并通过实验结果进行了验证。

结果表明：层间强制冷却可以有效增加成形过程中的散热，减小墙体结构热量积累、进一步改善成形件中的残余应力以及提升增材效率。

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