增材制造技術在航空鈦合金領域的發展歷程及應用現狀

鈦合金具有高比強度、比剛度和良好的耐腐蝕性能，滿足了飛機高機動性、高可靠性和長壽命的設計需要，其應用水平已成為衡量飛機選材先進程度的一個重要標志[1-2]。性能    和成本是材料技術發展永恒的兩大驅動力，而輕量化、整體化、結構功能一體化是飛行器結構設計、材料應用和制造技術共同面臨的挑戰。在過去的幾十年里，諸如熱等靜壓、注塑成形、放電等離子燒結等近凈成形技術在鈦合金領域獲得了長足的進步，但氧含量、孔隙率等瓶頸問題依然沒有得到有效解決，因此制約了其在航空鈦合金結構制造中的應用 [3-4]。

航空鈦合金零件的生產工序多、流程長（圖 1），鍛件的材料利用率通常不到 10%，其切削加工的成本占40% 左右。此外，鈦合金流變應力大，需要在高溫條件下成形，模具費 用高昂。這些因素極大地影響了鈦合金零件的制造成本與供貨周期。增材制造作為近凈成形技術的一個新方向，是一種基于離散 - 堆積原理，采用材料逐層累加的方法由三維數模直接制造零件的技術[5-6]，可分為 CAD 建模、分層處理、成形制造、后處理 4 個工序（圖 2）。增材制造無需模具，在一臺設備上可快速精密地制造出復雜形狀的零件，大大減少了工序并縮短了周期，尤其適合鈦合金、高溫合金等難加工材料的成形。

航空產品具有多品種、小批量的特點，零件結構越復雜，增材制造的成本和效率優勢相比傳統制造方法就越顯著，尤其是在飛機研制與定型階段，各種增材制造方法已發揮不可替 代的作用，展現出巨大的科研價值和經濟效益[7-8]。

一、鈦合金增材制造技術及其應用

鈦合金的增材制造可分為直接能量沉積與粉末床熔化兩個技術類別，再根據熱源的不同，如今形成了激光熔粉沉積（Laser MetalDeposition, LMD）、電 子 束 熔 絲 沉積（Electron Beam Wire Deposition,EBWD）、電 弧 熔 絲 沉 積（Wire ArcAdditive Manufacturing, WAAM）、激光選區熔化（Selective Laser Melt-ing, SLM）、電子束選區熔化（ElectronBeam Melting, EBM）5 種主要方法（表1）。

直接能量沉積技術效率高，平臺柔性好，成形零件的尺寸大，還可在原有零件上進行修復和再制造，但缺點是不具備制造復雜空心結構的能力，成形的毛坯還需要經過較多的機 械加工才能獲得最終零件。值得一提的是，激光熔粉沉積方法還能同步混合不同材料的粉末來實現復合材料的成形。相比之下，選區熔化技術的最大優點是其復雜精密結構的成 形能力（如帶有內流道的葉片或空間點陣結構），然而零件尺寸受到成形腔空間的限制。從熱源的角度來說，電子束需要在真空環境中運行，雖然成本較高，但成形過程中殘余應力小，成形零件通常無須退火；而激光或電弧在惰性氣體環境中運行，冷卻速度快，成形零件殘余應力較高。表2 列舉了 5 種增材制造工藝及其成形零件的特點，從 5 個量化維度（圖3）來看，這幾種工藝各有優勢，重要的是根據所需成形零件的特點來選擇與之適應的工藝。直接能量沉積技術（LMD, EBWD，WAAM）適合于大型零件毛坯的快速成形，而粉末床熔化技術（SLM, EBM）適合于小型復雜零件的精密成形。

激光熔粉沉積技術的起步較早，1995 年美國 Sandia 國家實驗室開發出了用激光束逐層熔化金屬粉末來制造致密金屬零件的技術，針對鈦合金、高溫合金、不銹鋼等多種材料開 展了大量工藝研究。1995 年起，美國國防部高級研究計劃署和海軍實驗室聯合出資，由約翰霍普金斯大學、賓夕法尼亞州立大學和 MTS 公司共同開發了利用大功率 CO2 激光器實現大尺寸鈦合金零件的制造技術，并合作成立了 AeroMet 公司，實現了 Ti-6Al-4V 合金 1~2kg/h 的沉積速率。AeroMet 公司獲得了美國軍方資助，開展了飛機機身鈦合金結 構件的激光熔粉沉積技術研究，完成了性能考核和標準制定，并于 2002年 實 現 Ti-6Al-4V 次 承 力 構 件 在F/A-18 等飛機上的裝機應用[9-11]。 在熔絲成形方面，美國 Sciaky公司聯合洛克希德 · 馬丁與波音公司等合作開展大型航空鈦合金零件的電子束熔絲沉積（EBWD）研究。

洛·馬公司選定了 F-35 飛機的襟副翼梁作為電子束熔絲成形的試驗件，零件成本降低 30%~60%[12]。此外，針對海軍無人戰斗機計劃，美國 CTC公司領導的研究小組制定了“無人戰機金屬制造技術提升計劃”，將電子束熔絲技術作為未來大型結構低成本高效制造的方案，目標是將無人機鈦合金結構的重量和成本降低 35%。

2010 年以來，挪威 Norsk Titanium 公司開發了電弧熔絲沉積（WAAM）設備并制備了鈦合金零件，其長度達到1m。它采用混合制造的方法，在 Ti-6Al-4V 板材的局部沉積形成帶有肋條的毛坯，再經過機械加工而成，其材料利用率約 30%，力學性能可達到鍛件水平。該公司的鈦合金 WAAM技術于 2016 年獲得了美國聯邦航空管理局的技術成熟度 8 級認證。此外，克蘭菲爾德大學于開發了基于等離子弧的鈦合金 WAAM 技術，其沉積效率更高，控制也更容易[13-14]。這3 種直接能量沉積技術在航空鈦合金結構的研制與驗證階段可大幅降低成本，縮短迭代周期。

在航空領域，設計與制造的融合是未來的大方向，目前激光選區熔化與電子束選區熔化是應用前景最被看好的技術，GE 于 2017 年斥資收購 Concept Laser 與 Arcam 便是有力 的證明。只有選區熔化技術具備成形復雜精密結構的能力，而這種能力與航空零件結構優化的需求高度吻合。目前 SLM 的 OEM 廠商有 EOSGmbH，Renishaw Inc.，SLM SolutionsGmbH，Concept Laser GmbH（2017年被 GE 收購）等，Concept Laser XLine 2000 設備的最大成形零件尺寸可達 800mm×400mm×500mm ；而電子束選區熔化的商業化設備僅有Arcam AB（2017 年被 GE 收購）能夠提供，其 Arcam Q20 設備成形腔尺寸為 φ350mm×380mm。

空客通過基于有限元分析的結構優化應用于現有零件的再設計，采用激光選區熔化技術實現了大幅減重，而優化后高度復雜的結構是其他方法難以完成的（圖 4）。另一個優化設計的例子是座椅安全帶的鎖扣，采用優化設計后的 Ti-6Al-4V 替代不銹鋼可實現 55% 的減重，對于具有 853 個座椅的空客 A380 來說，服役期間可節省 300 萬美元的燃油費 用，而這些采用 SLM 制造的鎖扣成本僅 25 萬美元。第一個進入批產的SLM 零件是 GE LEAP 發動機中的高溫合金燃油噴嘴[15]，原有的 20 個組件現在變為 1 個，實現了 25% 的減重，并且壽命是原有零件的 5 倍。到2020 年將有 10 萬件采用 SLM 技術生產的燃油噴嘴裝載在 LEAP 發動機里，為波音 737MAX 和空客 A320NEO 提供動力。

美 國 橡 樹 嶺 國 家 實 驗 室（ORNL）是最早開展 EBM 成形技術 研 究 的 機 構 之 一，從 2010 年 開始與洛克希德 · 馬丁公司共同進行F-35 鈦合金空氣泄漏檢測支架的研制與認證，結果顯示 EBM Ti-6Al-4V 支架的化學成分與力學性能滿足ASTM 標準要求[16]。GE-Avio 采用EBM 成形的鈦合金除油器部件已經通過飛行測試，這種蜂窩結構是傳統    制造方法難以實現的。此外，該公司首次將 EBM 技術應用到鈦基金屬間化合物零件的制造上，以代替原有的鑄造成形技術[17]。目前，TiAl 發動機低壓渦輪葉片已經進入工廠測試階段。

在國內，航空工業制造院、北京航空航天大學、西北工業大學等單位在航空鈦合金增材制造技術研發與應用方面處于領先地位，涉及的鈦合金材料包括 Ti-6Al-4V、TA15、 TC11、TC18、TC21 等，多個零件實現了裝機應用[12，18]。此外，航空工業制造院還實現了 TiAl 低壓渦輪葉片與蜂窩結構的 EBM 制造（圖 5）[19]。

二、增材制造鈦合金顯微組織與力學性能

增材制造實際上是一個微鑄造過程，但其冷卻速度極快，其中包含的多種物理過程如圖 6 所示[20]。

熔池凝固過程中，電子束 / 激光 /電弧為熱源，基板為熱沉，因此凝固過程沿著沉積方向（z 向）發生。在第 n 層粉末或絲材熔化的過程中，之前的第 n-1 層已凝固的材料也被部 分熔化，形成了外延生長的條件，這導致了沿 z 向生長的柱狀晶。在以上 5 種增材制造方法制備的鈦合金中，這種外延生長導致的柱狀晶非常普遍[21-25]，但由于冷卻速度的差異，柱狀晶的形貌有所不同，冷速較高的工藝（如 LMD 與 SLM）會在鈦合金中形成馬氏體相。圖 7 為 EBM Ti-6Al-4V 合金的三維顯微組織，可見毫米級的 β 柱狀晶沿 z 向外延生長，它們之間被晶界 α 相隔開。在每一個 β 晶粒內部，魏氏組織占主導地位，同時有少量的 α/β 集束。值得一提的是，增材制造材料的顯微組織是由移動熔池中熔體的冶金動力學行為與晶體形核 / 長大機制決定的，LMD 技術在材料顯微組織控制方面具有較大的自由度，早在 2001 年，Gaumann 等[26] 就實現了單晶與多晶鎳基高溫合金的調控，而 Liu 等[27]通過送粉量與激光功率的匹配實現了具有等軸晶與柱狀晶混合組織鈦合金的成形。

針對不同增材制造鈦合金顯微組織與力學性能的研究很多。以Ti-6Al-4V 為例，增材制造材料的強度能夠達到甚至超過鑄造、鍛造等傳統方法制備的材料。以激光為熱源的增材制造技術可以獲得較高的強度，而塑性偏低，這是由于較高冷速形成的 α' 馬氏體相造成的；而以電子束為熱源所獲得的材料具有α/β 顯微組織，這是由于真空環境中冷速較慢以及基板溫度較高造成的，因此成形材料強度較低但塑性提高。電弧熔絲成形的鈦合金顯微組織與鑄造材料相似，但相對細小，其強度與電子束成形材料相當，塑性稍高

[28]。

由于 β 柱狀晶是所有增材制造 Ti-6Al-4V 合金的典型組織，材料顯微組織各向異性與晶體學織構對力學性能的影響成為一個熱點問題，但目前學界尚未有統一的結論。有報道顯示，在熱流的作用下，β 晶粒沿著 <100> 方向生長，在隨后的相轉變過程中 α相遵循伯格斯矢量關系繼承了 β 相織構[29]。然而，也有報道顯示增材制造 Ti-6Al-4V中的 α相不存在明顯的晶體學織構[25，30]。力學性能顯示，相比于 XY方向，材料在 Z 方向的強度較低而塑性較高[25，31]，這被認為是 β 柱狀晶之間與 Z 方向平行的粗大 α晶界造成的。

三、增材制造鈦合金的認證與標準

在對可靠性要求極高的航空制造業中，成形工藝與零件質量的認證是必須要解決的問題。圍繞著增材制造的認證過程有設計、材料、工藝、檢測 4 個環節，針對每個環節中的各 項內容建立標準是增材制造零件質量控制的關鍵（圖 8）。最終的目標是固化成形工藝，并且材料性能穩定地達到設計許用值。

美國國家標準局發布的金屬材料增材制造路線圖重點強調了質量控制，其中包括標準與規范、數據測量與監測、材料性能全面表征、設計與制造過程模擬系統、過程閉環控制系統[32]。對此，業界已經通過增材制造過程的詳細記錄與參數分析開展了卓有成效的工作。例如，對成形過程中參數變化的傅里葉分析可以作為判定成形零件質量的依據[33]。此 外，可采用光學或紅外照相的方式實時記錄每一層材料的成形質量，并將這些照片與參數日志結合后作為成形過程數值模擬的邊界條件[34]，進而預測缺陷形成的趨勢和顯微組織 的各向異性，再通過成形材料的試驗表征（如 x 射線，中子等）進行模型的驗證與完善[34-35]。同時，這些模型也可用來進行成形過程中溫度梯度的設計與固液界面移動速率的控制，進而實現材料顯微組織的調控。

美國 AMS 4999A《退火 Ti-6Al-4V 鈦合金直接沉積制品》標準規定了原材料、前處理、制造工藝、后處理、檢驗檢測要求及方法等相關內容，適用于直接能量沉積 Ti-6Al-4V 零件的驗收。其他增材制造鈦合金相關標準，如 AMS 7002《航空航天產品用激光粉末床增材制造粉末生產工藝要求》、AMS 7003《激光粉末床熔化工藝》、AMS 7004《在 Ti- 6Al-4V 去應力基板上的高沉積速率增材制造鈦合金預制體》尚在制定中。2009 年美國材料與試驗協會ASTM 組建了 F42 增材制造技術委員會，下設 8 個分委會，主要由 F42 01 檢測方法、F42 04 設計、F42 05 材料與工藝以及 F42 91 術語等 4 個分委會起草發布。目前，F42 05 主要針對粉末床熔化技術的鈦合金、鎳基合金開展了相應的標準制定，在標準中規定了相關工藝的原材料要求、前處理、制造過程中質量控制、后處理、檢驗檢測要求及方法等方面的要求，適用于粉末床熔化制件的驗收。ISO于 2011 年也成立了針對增材制造的標準化技術委員會 TC261 ，隨后與 ASTM F42 聯合發布了 3 份 ISO/ASTM 標準，分別從術語定義、坐標系定義、增材制造數據格式等方面進行了規范。

AMS 4999A 規定直接沉積產品的退火溫度為 900~925℃，而變形產品一般采用 700~790℃的普通退火制度。標準增加了沉積工藝過程中制件的去應力退火制度及要求，反映 了在控制殘余應力、減少變形方面的工作進展。此外，該標準規定了沉積材料的顯微組織為 β 相基體上分布針狀 α相，并且允許柱狀晶的存在。

在力學性能方面，標準考慮了材料的各向異性，抗拉強度 / 屈服強度 / 延伸率分別為 889MPa/799MPa/6%（XY向）, 861MPa/765MPa/5% （Z 向）。對于沉積產品的內部質量，標準規定了不允許使用有害的外來材料，以及對孔洞等缺陷的限制，并且增加了AMS2631《鈦和鈦合金棒材和坯料超聲波檢查》與 ASTM E 1742《射線檢查》的要求。AMS 4999A 中還給出了工藝和供應商批準、沉積參數批準、沉積 / 幾何參數批準、制造大綱批準和生產工藝固化等控制要求，為直接沉積技術在我國飛機產品上的應用提供了重要依據。另一項標準 ASTM F2924《粉末床熔化增材制造 Ti-6Al-4V 標準規范》允許使用返回粉并規定了返回粉的篩選和檢查方法、返回粉與新粉混合的比例、返回粉使用次數等技術要求。顯微組織應當是 α相和 β相組成的兩相組織，其中 α相可以是針狀、片層狀、等軸狀、網籃狀，允許 β 柱狀晶的存在以及初生 β 晶界上有連續的 α相。標準要求 XY 向與 Z 向的拉伸性能要同時達到895MPa/825MPa/10%，與 Ti-6Al-4V鍛件相當。此外，ASTM F2924 還對制造大綱提出了要求，包括了設備、制造控制系統、認證所需試樣數量、取樣方法、填充材料、成形腔環境、熱處理工藝等多項內容。需要補充的是，粉床熔化增材制造低間隙元素Ti-6Al-4V 的標準為 ASTM F3001，其內容與 ASTM F2924 相似。

四、增材制造鈦合金零件的成本分析

增材制造的成本包括設備、材料、工時、能耗、勞動力與管理成本等。基于直接能量沉積技術的增材制造成本中（以激光熔粉沉積為例），原材料成本占 10%，工程設計占 18%，工藝占 42%，后續加工占 20%，其他（如檢測）占 10%。基于粉末床熔化的技術中，每一爐次零件總體積相對于成形腔的尺寸決定了單個零件成形時間和成本。這是因為整個成形腔都會被粉末填充，零件所占體積分數越大，每一爐次粉末的利用率就越高。有兩種較為常見的增材制造成本模型[36]，一種由 Hopkinson等 提 出，另 一 種 由 Ruffo 等 提 出。Hopkinson 模型假設在 1 年內設備只生產一種零件，使用最大的成形腔體積，并且設備工作 90% 的時間。單個零件的成本 = 全年總成本 / 零件年產量，其中總成本包含了設備成本（8 年折舊）、勞動力成本、材料成本。

Ruffo 模型考慮了每爐次零件所占成形腔的體積比等更詳細的因素，因此更接近于實際成本。在這個模型中，單個零件的成本 = 單個爐次的成本 /單個爐次中零件的數量，其中單個爐次的成本包括了材料成本、設備工時費、勞動力成本、管理成本、廠房折舊費等。如果單個爐次內含有不同尺寸的零件，單個零件成本 = 此零件所占成形腔體積分數 × 單個爐次的成本。

選擇最合適的制造方法是降低航空零件成本的關鍵。增材制造適用于多品種、小批量、復雜形狀零件的生產，這其中包括了研制階段不斷迭代優化中的零件。由于不需要模具，增材制造鈦合金零件的成本相比鑄造和鍛造方法明顯下降，另外，生產周期也大幅度縮短。這些因素都使增材制造成為精益生產的有效工具。然而，當產品的批量增加時，增材制造的成本優勢逐漸下降。Atzeni等[37] 比較了采用壓力鑄造方法與激光選區熔化方法制造起落架零件的成本，當批量大于 42 件時，壓力鑄造的成本變得比激光選區熔化更低。

除了批量以外，零件的復雜程度也是影響增材制造成本的關鍵因素。由于鈦合金材料成本高，加工難度大，提高零件的材料利用率可大幅降低零件的制造成本。Allen[38] 比較了采用增材制造法與鍛件機械加工法制造飛機發動機某鈦合金零件的成本，發現當材料利用率小于 8.3%（buy-to-fly ratio 12∶1）時，增材制造具有成本優勢。另一個例子是 F-35 Ti-6Al-4V 合金空氣泄漏檢測支架，如采用鍛件機加工的方法，其材料利用率僅有 3.3%，零件成本為 1000 美元/ 磅；而 EBM 支架的材料利用率接近 100%，零件成本下降 50% [16]。基于直接能量沉積的激光熔粉、電子束熔絲、電弧熔絲等方法還可進行零件的修復與再制造。據統計，采用這些方法修復破損的鈦合金框、梁、葉片、機匣、起落架比更換新零件的成本降低 20%~40%。此外，采用直接能量沉積技術修復傳統方法制備過程中的殘次品件也是目前研究的熱點，這會對航空鈦合金產業鏈產生深遠的影響。

設備的穩定性也與成本相關。

在增材制造設備的工作過程中，成形失敗時有發生，這可能是由于硬件、操作、零件（支撐）設計等原因造成的。對于粉末床熔化技術來說，這意味著必須清理設備后重新制造零件，造成大量成本和時間的浪費。增材制造設備廠商與用戶應當共同探討提高成功率的方案，以及怎樣避免人為操作失誤。此外，建立可靠模型進行成形過程的數值模擬也可幫助用戶確定最佳的零件放置方向以及支撐設計方案，提高成功率。

隨著增材制造產業的規模化以及各類專利的過期，設備價格（通常為 50~100 萬美元）以及粉末、絲材的價格會逐漸下降，會有更多的設備制造商與原材料供應商進入市場，形 成一個良性循環。除了采用球形粉末以外，近年來已有采用低成本的非球形粉末（如氫化 - 脫氫粉末、海綿鈦等）實現增材制造的實例[39]。另外，零件的制造成本也會隨著技術的進步而下降，增加設備熱源數量或提高熱源功率可在單位時間內熔化更多的材料，提高零件的制造效率。

五、結論

增材制造技術在過去的 10 年里獲得了飛速發展，未來必將成為航空鈦合金結構的主要制造方法之一。直接能量沉積技術將在大型零件研制階段繼續發揮“快速原型制造”的 重要作用，并在修復領域大有作為；粉末床熔化技術顛覆了零件設計與制造的傳統理念，將“為了制造而設計”轉變為“為了功能而設計”，引領復雜精密零件的研制與生產。

然而，基礎研究的相對滯后阻礙了增材制造在航空領域的進一步發展。這些基礎研究既包括物理、化學、冶金等科學問題，也包括缺陷、變形、開裂等工程問題。在高溫度梯度、超快冷速條件下，逐層堆積的工藝形成了隨機的缺陷和特殊的組織，零件不同部位的性能尚有差異。目前還難以準確表征和模擬增材制造過程，這給零件的認證造成了困難，而材料基因組工程將會是成分—工藝—組織—性能建模的一個突破點。另外，微小缺陷（≤ 0.8mm）的無損檢測以及建立基于缺陷尺寸、數量、分布對動態力學性能影響的設計準則是增材制造鈦合金在飛機與發動機關鍵承力結構中應用的前提。

展望增材制造技術的未來，機遇與挑戰并存。隨著技術的成熟與成本的下降，以及與結構優化設計的深度融合，鈦合金增材制造必將迎來更加廣闊的發展空間。

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通 訊 作 者：陳 瑋，E-mail ：werner_nju@163.com。