當(dāng)前，以航空航天為代表的高端裝備領(lǐng)域?qū)δ透邷亟饘俨牧现圃旒皯?yīng)用有著巨大的需求，且航空航天等高端裝備面臨嚴(yán)酷的力 / 熱載荷條件與重量約束，對(duì)設(shè)計(jì)和選材都提出了更高的要求。高溫鈦合金以其優(yōu)異的熱強(qiáng)性、較高的比強(qiáng)度和良好的綜合性能，成為航空航天、船舶等領(lǐng)域首選的新一代耐高溫高性能結(jié)構(gòu)材料。
與鎳基、鈷基高溫合金相比，鈦合金仍是一種不易鍛造加工的金屬材料。由于高溫鈦合金工藝性能的特殊性以及相對(duì)較高的材料成本，在制造較復(fù)雜形狀和薄壁異型構(gòu)件時(shí)，使用傳統(tǒng)工藝制造存在制造周期長、材料利用率低、制造成本較高等問題，亟待開發(fā)新的成形制造工藝。近年來，隨著增材制造技術(shù)（3D打印）的迅速發(fā)展，激光增材制造技術(shù)已成為鈦合金材料快速低成本制造的重要途徑。
開發(fā)制造周期短、綜合成本低的高溫鈦合金激光增材成形制造工藝是當(dāng)前高端裝備領(lǐng)域的迫切需求。
為了解決上述問題，更好地滿足航空航天領(lǐng)域?qū)Ω咝阅芙Y(jié)構(gòu)材料的需求，作為國內(nèi)領(lǐng)先的金屬增減材制造技術(shù)全套解決方案提供商，鑫精合激光科技發(fā)展（北京）有限公司（以下簡稱：鑫精合）自 2015 年成立以來就專注于高性能金屬材料增材制造領(lǐng)域，開展了大量技術(shù)研發(fā)工作。
鑫精合掌握了增材制造（3D 打印）各類相關(guān)技術(shù)，包括 ：激光選區(qū)熔化（SLM）、激光沉積制造 (LDM) 等工藝具備全球領(lǐng)先水平，生產(chǎn)的產(chǎn)品及設(shè)備廣泛應(yīng)用于航空、航天、航海、汽車、能源、醫(yī)療、模具和汽車等高端制造領(lǐng)域。為客戶提供產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、拓?fù)鋬?yōu)化、仿真分析、增材制造、熱處理、機(jī)械加工、表面處理、特種連接、零部件裝配等全
產(chǎn)業(yè)鏈服務(wù)。經(jīng)過多年工藝探索及技術(shù)能力儲(chǔ)備，結(jié)構(gòu)產(chǎn)品生產(chǎn)能力處于國內(nèi)領(lǐng)先水平，已為國內(nèi)多家軍工單位提供配套產(chǎn)品，現(xiàn)擁有技術(shù)專利 100 余項(xiàng)。
鑫精合技術(shù)團(tuán)隊(duì)采用激光沉積增材技術(shù)進(jìn)行高溫鈦合金材料的成形制造，基本實(shí)現(xiàn)了大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件的低成本、快速整體成形，大幅了提高材料利用率，同時(shí)節(jié)省了模具成本、縮短了制造周期，能夠更好地適應(yīng)高端裝備領(lǐng)域?qū)焖夙憫?yīng)、智能制造的要求。
激光沉積增材制造技術(shù)（LDM）是以高功率激光為能量源，采用粉末同步送進(jìn)的方式，將待熔粉末直接送入高能束激光產(chǎn)生的熔池中，由機(jī)床或機(jī)器人引導(dǎo)高能束激光逐層按軌跡行走，層層堆積最終成型出三維立體金屬零部件。
激光沉積增材制造裝備可以精確控制能量輸入、光斑直徑（熔道寬度）、成形方式、掃描路徑和層厚，實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜形狀金屬零件的成形制造。該工藝在制造大型復(fù)雜高性能結(jié)構(gòu)時(shí)具有高效率、低成本、高質(zhì)量等優(yōu)勢。因此，研究高溫鈦合金材料的激光熔化沉積制造技術(shù)具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。
鑫精合技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)首先從材料與工藝的匹配性入手，研究掌握了系列化高溫鈦合金材料的激光沉積增材工藝適應(yīng)性。同時(shí)，鑫精合與中國科學(xué)院金屬研究所、航天科工三院等單位合作，開展了 TC4、TA15、TC11、Ti60、Ti65 及Ti2AlNb 等牌號(hào)鈦合金的材料、工藝與應(yīng)用技術(shù)研究。
TC4鈦合金（Ti-6Al-4V）是較早研制成功的高性能鈦合金材料，可在 400 ℃以下工作。隨著對(duì)鈦合金性能需求的不斷提高，又相繼研發(fā)出使用溫度 500 ℃、600 ℃、650 ～ 700℃的鈦合金牌號(hào)，如TA15、TC11、Ti-55 及 Ti60 等。
TA15鈦合金名義成分為 Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V，對(duì)應(yīng)俄羅斯牌號(hào)為 BT20，屬于高 Al 當(dāng)量的近 α 型鈦合金，既具有 α 型鈦合金良好的熱強(qiáng)性和可焊性，又具有接近于 α+β 型鈦合金的工藝塑性，是一種具有中等強(qiáng)度兼具良好熱穩(wěn)定性和焊接性能良好的鈦合金，比 TC4鈦合金有更高的室溫、高溫強(qiáng)度和更優(yōu)異的焊接性能，長時(shí)間（3000 h）工作溫度可達(dá) 500 ℃，450℃下工作時(shí)，壽命可達(dá) 6000 h，瞬時(shí)（不超過 5 min）工作溫度可達(dá) 800 ℃。主要應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)的各種葉片、機(jī)匣，飛機(jī)的各種鈑金件、梁、接頭、大型壁板和焊接承力框等，采用激光沉積增材制造技術(shù)制備的 TA15 材料的拉伸性能數(shù)據(jù)見表 1。
TC11 鈦合金名義成分為 Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si，相近俄羅斯牌號(hào)為BT9，是我國航空航天領(lǐng)域應(yīng)用較廣的高溫鈦合金，是一種綜合性能良好的α+β 馬氏體型熱強(qiáng)鈦合金，具有良好的室溫抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，在 500℃以下具有優(yōu)異的熱強(qiáng)性能和良好的熱加工工藝性能，可以進(jìn)行焊接和各種方式的機(jī)加工。制件的使用工作條件為 ：
在退火狀態(tài)下可用于 500℃以下 500 h和 550 ℃ 以 下 100 h, 以 及 450 ℃ 以 下1000 h ；在強(qiáng)化處理狀態(tài)下可用于 500℃以下 100 h 工作的零件和在 700℃以下一次性工作的零件。該合金對(duì)熱鹽應(yīng)力腐蝕存在著一定的敏感性。主要應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)的零部件，如葉片、盤件、鼓筒和軸類等，也可用于制造飛機(jī)結(jié)構(gòu)件，采用激光沉積增材制造技術(shù)制備的TC11 材料的拉伸性能數(shù)據(jù)見表 2。
Ti60 鈦合金是中國科學(xué)院金屬研究所研制的一種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型耐 600 ℃以上的高溫鈦合金（Ti60），是一種 Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Ta-Nb-Si 八元系鈦合金。長時(shí)間工作溫度可達(dá) 600 ℃，其室溫、高溫強(qiáng)度雖高，但其常溫塑性較低。
鑫精合公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過長期技術(shù)研究，突破了高溫鈦合金材料的零缺陷激光沉積制造技術(shù)，掌握了系列化高溫鈦合金材料的增材制造工藝。技術(shù)團(tuán)隊(duì)研發(fā)了高溫鈦合金材料分區(qū)成形以及負(fù)搭接長城形掃描策略，結(jié)合搭接率參數(shù)的合理控制，并采用在激光沉積增材制造過程中添加活性金屬粉末等方式，消除了高溫鈦合金激光沉積過程中可能出現(xiàn)的微細(xì)缺陷，實(shí)現(xiàn)了高溫鈦合金的高性能和高可靠性的成形制造。
鑫精合研發(fā)團(tuán)隊(duì)采用上述技術(shù)制造的高溫鈦合金構(gòu)件內(nèi)部組織均勻致密、無缺陷，外觀平整勻稱，制件強(qiáng)度高、 耐 高 溫 性 好， 綜 合 性 能 優(yōu) 異。 以某牌號(hào)高溫鈦合金為例，增材制造零件室溫抗拉強(qiáng)度達(dá)到 1080 MPa，屈服強(qiáng) 度 達(dá) 到 980 MPa， 延 伸 率 達(dá) 10 % 以上， 沖 擊 韌 性 αKU 達(dá) 到28 J/cm2 以上 ；600 ℃高溫拉伸強(qiáng)度可達(dá) 700 MPa，屈服強(qiáng)度達(dá)到 560 MPa，延伸率達(dá) 到 20 % ；650 ℃ 高 溫 拉 伸強(qiáng)度到達(dá) 640 MPa，屈服強(qiáng)度達(dá)到 500 MPa，延伸率接近 30% ；600 ℃ /450 MPa 應(yīng)力下的高溫持久達(dá)到 16 h 以上 ；650 ℃ /330 MPa 應(yīng) 力 下的高溫持久平均達(dá)到 10 h 以上，并具有較高的斷裂韌性值 KIC，具體見表 3 和表 4。
隨著增材制造技術(shù)的不斷成熟和推廣，激光沉積增材制造的高性能鈦合金材料以其良好的綜合性能，特別是優(yōu)異的比強(qiáng)度、塑韌性和高溫性能，具有巨大的市場應(yīng)用前景，有望廣泛推廣應(yīng)用于航空航天飛行器，以及艦船、能源和化工等各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。鑫精合將以先進(jìn)技術(shù)為引領(lǐng)，攜手國內(nèi)優(yōu)勢技術(shù)力量，繼續(xù)推動(dòng)增材制造等先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，為我國關(guān)鍵重點(diǎn)裝備和高端制造領(lǐng)域提供更強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。
相關(guān)鏈接
