1、引言
近年來，3D打印技術成為一種新興制造方式，其基本原理為“分層制造、逐層疊加”[1]。與傳統(tǒng)制造不同，3D打印制造過程是將數(shù)字化信息技術與制造技術相融合，根據(jù)任意零件三維模型快速制造任意復雜形狀3D 物體，無需專用模具，在金屬成形過程中發(fā)揮著不可替代的作用。3D打印的應用優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：1) 易用性高；2) 工藝周期短、精度高，實現(xiàn)零件的近凈成形，解決傳統(tǒng)制造開模耗費時間長的問題；3) 成本低。3D打印材料包括金屬材料和高分子材料等，而目前國內外金屬材料中鈦合金的3D打印研究與應用最為廣泛。為此，本文將綜述3D打印鈦合金鍛件的應用領域和近年來國內外鈦合金3D打印的研究現(xiàn)狀，并展望未來。
2、金屬 3D打印技術的概述
3D打印又叫增材制造、快速成型等，其中光固化成型(Stereo Lithography Apparatus, SLA) [2]、疊成實體制造(Laminated Object Manufacturing, LOM) [3]、激光選區(qū)燒結(Selective Laser Sintering, SLS) [4]和熔融沉積制造(Fused Deposition Modeling, FDM) [5]等技術較為成熟。近年來，隨著激光選區(qū)熔化(SelectiveLaser Melting, SLM)制造和電子束選區(qū)熔化(Electron Beam Selective Melting, EBSM)制造等金屬直接制造技術的迅速發(fā)展，定制化功能件的直接制造技術亦越來越成熟，定制化功能件成型材料、工藝和設備已成為研究熱點。
選區(qū)激光熔化SLM 是指在氬氣或氮氣保護下用激光束照射金屬粉末，粉末在吸收激光能量之后快速熔化并凝固，以此冶金結合、致密組織、高精度的金屬功能件，是目前國內外研究和生產最常用的3D打印方法[6]。選區(qū)激光熔化原理如圖1(a)所示。選區(qū)激光熔化技術是一種冷加工工藝，后期需進行熱處理提高制件性能，加工件在加工時需有與所打印材料膨脹率和導熱性相似的材料作為基板[7]。電子束選區(qū)熔化EBSM 是指在真空條件下使電子槍中產生的電子經加速、聚集，形成高能量大密度的電子束并轟擊被加工部位粉末，使該部位的粉末熔化與凝固的制件工藝。電子束選區(qū)熔化原理如圖1(b)所示。電子束選區(qū)熔化是一種熱加工工藝，大多數(shù)材料無需熱處理，且加工件可自由脫離加工底板，一般用于加工簡單及小型的零件[8]。
在技術應用領域方面，金屬3D打印近年來在醫(yī)學領域有著快速的發(fā)展，應用最多的科室主要集中在牙科和骨科。材料主要以鈦合金、不銹鋼等與人體組織相容性較好的生物材料。直接生產零件更是在3D打印領域飛速發(fā)展，使用金屬粉末SLM 設備直接制造零件是全世界在3D打印領域最為重視的領域，因其可以加工傳統(tǒng)方法難以加工、甚至無法加工的較為復雜的零部件，所以在直接生產零件方面更具備無與倫比的優(yōu)越性。
2、鈦合金 3D打印技術的應用領域
2.1. 牙科和骨科領域
鈦合金具有耐高溫、高耐腐蝕性、高強度、低密度、生物相容性等優(yōu)點[9] [10] [11]。在用于人體硬組織修復的金屬材料中，Ti 的彈性模量與人體硬組織最接近，約80~110 GPa，這可減輕金屬種植體與骨組織之間的機械不適應性[12]。因此，鈦合金在醫(yī)療領域有著廣泛的應用前景，越來越受到醫(yī)師和患者的重視。
最初應用于臨床的鈦合金主要以純Ti 和Ti6Al4V 為代表。20 世紀中期，美國和英國首先將純Ti 應用于生物體中，中國于70 年代初開始把人工鈦髖關節(jié)應用于臨床[13]。純Ti 在生理環(huán)境中具有良好的耐腐蝕性能，但其強度和耐磨損性能較差，從而限制了其在承力部位的應用，主要用于口腔修復及承力較小部位的骨替換[14]。與純Ti 相比，Ti-6Al-4V 合金具有較高的強度和較好的加工性能，最初是為航天應用設計，到20 世紀70 年代后期被廣泛用作外科修復材料，如顱骨修復片、骨板等(見圖2)。長期以來，國內外的研究主要以Ti6Al4V 為主，但因Al、V 等是對人體有害的元素，因而研究方向轉至不含Al 和V的新型β 型鈦合金，如TiZrNbSn [15]、Ti24Nb4Zr7.6Sn [16]等。
現(xiàn)今，骨科適合3D技術的有骨科手術輔助和骨置換體[17]。手術輔助是指根據(jù)病患損傷或需要去除部分數(shù)據(jù)打印出假骨和輔助導板，使用假骨和導板模擬手術研究切割位、打孔位、打孔深度等，大幅度提高手術質量降低手術風險和難度，縮減手術時間，減輕病患痛苦。骨假體利用3D打印技術直接制造成輕量化多孔骨，利于假骨活體化，可在空隙內再生人體組織細胞，且定制的假體假骨跟患者身體所長形態(tài)相同，最終手術完成后達到接近人體真骨的效果[18]。2014年4月，第四軍醫(yī)大學西京醫(yī)院骨科郭征教授帶領的團隊完成亞洲首例鈦合金3D打印骨盆腫瘤假體植入術，使患者巨大腫瘤切除后的缺失骨盆得到精細化完美重建，解決了復雜部位骨腫瘤切除后骨缺損個體化重建的臨床難題[19]。2015年7月，第四軍醫(yī)大學唐都醫(yī)院胸腔外科為一名胸骨腫瘤患者成功實施了3D打印鈦合金胸骨植入手術，術后患者恢復良好，無任何并發(fā)癥出現(xiàn)，這也成為世界首例3D打印鈦合金胸骨植入術[20]。
牙科具有個性化定制快速需求、輕量微型等突出特點，特別適合采用金屬粉末(特別是鈦合金)的3D打印技術，產品有牙冠、牙橋、舌側正畸托槽、假牙支架、牙釘?shù)?見圖3)。如果采用傳統(tǒng)制造方式，制造周期長，難以滿足個性化需求。同時制造精度不高，難以加工高硬度材料，需求高強度密集手工操作，人工成本高，制造產品質量受制于技師水平等。而采用3D打印生產牙科相關植入體零件可避免這些問題，可直接輸入三維數(shù)據(jù)使用鈦合金等粉末打印，即可獲得合格的牙科植入體零件。
2.2. 手板和模具領域
3D打印在手板和模具領域亦有著其獨特的優(yōu)勢。一方面，與傳統(tǒng)方法相比，3D打印因由計算機控制，并嚴格按照三維軟件繪圖來控制尺寸。對于復雜零件，沒有制作路徑限制，可極大幅度降低模型和模具制備時間，提高模型精度與質量。特別是可使用零件所用材料制造，可測試更多手板、模型的性能與體驗，尤其超復雜曲面零件。如果采用傳統(tǒng)工藝制造，可說是讓設計師頭疼，讓生產者發(fā)瘋，長達數(shù)周，花費大量金錢才能完成，完成后發(fā)現(xiàn)有問題，又要再次試制，采用3D技術則可在一周之內甚至幾個小時低成本完成此工作。3D打印的零件手板和復雜模具如圖4所示。
2.3. 航空航天領域
傳統(tǒng)鍛造和鑄造技術制備的鈦合金件已被廣泛應用于高新技術領域，但由于產品成本高、工藝復雜和較長交貨周期，限制了其應用范圍，特別是有定制化要求的航空航天更突顯了傳統(tǒng)加工方式的弊端[21]。
“輕量化”和“高強度”一直是航空航天設備制造和研發(fā)的主要目標，而由3D打印制造的金屬零件則完全符合其對設備的要求。首先，3D打印技術集概念設計、技術驗證與生產制造于一體，可快速實現(xiàn)小規(guī)模產品創(chuàng)新，縮短研發(fā)時間。通過3D打印某些零件，可節(jié)約材料，3D打印鈦合金鍛件所特有的增材制造技術能使原材料利用率高達90%，降低生產成本，沒有復雜的傳統(tǒng)工藝，縮短制造時間，且可制造出形狀復雜的零部件。
航空發(fā)動機用鈦合金主要包括TC4、TA11、TC18 等[22]；在飛機機身的應用中較廣泛的鈦合金有TB8 [23]、TB6 [24]、TB9 [25]等。近期，比利時航空航天公司Sonaca 與法孚米其林FMAS 公司宣布合作，為航空航天行業(yè)開發(fā)和制造3D打印的鈦合金零件。法國也投資1050 萬美元啟動FAIR 項目，以幫助推進該國工業(yè)增材制造技術的發(fā)展[26]。使用3D打印鈦合金零件的F-35 戰(zhàn)機已進行試飛。作為鈦合金激光打印領域的先行者，美國自然不甘落后，美國空軍和洛克希德·馬丁公司已宣布與Sciaky 公司成為合作伙伴，且計劃使用該公司生產的襟副翼翼梁裝備正在生產的F-35 戰(zhàn)斗機[27]。
我國在 3D打印航空航天領域較突出的科研團隊為西北工業(yè)大學凝固技術國家重點實驗室黃衛(wèi)東教授所帶領的團隊以及北京航空航天大學王華明教授所帶領的團隊。近年來，在航空航天領域均取得了較大的成果。圖5 為西工大用3D打印制造3 米長用于國產C919 飛機上的鈦合金中央翼緣條[28]。
此外，中國航天科工三院306所技術人員成功突破TA15和Ti2AlNb異種鈦合金材料梯度過渡復合技術，采用激光3D打印試制出的具有大溫度梯度一體化鈦合金結構進氣道試驗件順利通過了力熱聯(lián)合試驗。該技術成功融合了激光3D打印與梯度結構復合制造兩種工藝，解決了傳統(tǒng)連接方式(如法蘭連接、焊接等工藝方法)帶來的增重、密封性差和結構件整體強度剛度低等問題，為具有溫度梯度結構的開發(fā)設計與制造開辟了新的研制途徑。同時，開創(chuàng)了一種異種材料間非傳統(tǒng)連接的制造模式，實現(xiàn)了結構功能一體化零部件的設計與制造[29]。
3D打印還可直接用于零部件的修復和制造[30]。航空航天零件結構較復雜，且成本很高昂，一旦出現(xiàn)瑕疵或缺損，可能造成數(shù)十萬甚至上百萬人民幣的損失。而3D打印技術可用同一材料將缺損部位修補成完整形狀，修復后的性能不受影響，大大節(jié)約時間和金錢。
3、鈦合金 3D打印的研究現(xiàn)狀
采用激光為熱源的SLM 技術是將金屬粉末按設定的路徑一層層堆焊疊加，其本質就是一個焊接過程，所以打印的金屬零件內部必然存在氣孔、裂紋、夾雜、未熔合等焊接缺陷，因此缺陷控制技術是金屬3D打印技術研究的重要課題之一。
SLM 打印零件中的孔洞來源可能有以下幾種：1) SLM 功率不夠或移動速度太快，金屬粉末未完全熔敷就凝固；2) 熔融金屬凝固補縮不及時而形成；3) 成型室內氧含量偏高，粉末熔化過程形成氧化物夾雜及氣孔。裂紋主要為冷裂紋，具有典型的穿晶斷裂特征[31]。這是由于SLM 成形過程中激光熔化金屬粉末產生高溫梯度導致零件內部存在較高的殘余應力，同時抗裂強度低的馬氏體組織在殘余應力的作用下產生裂紋，粗大的裂紋最終也會分解為較小的裂紋而終止擴展。
基于這些缺陷的發(fā)生，此時需要通過后處理提高SLM 制件的性能[32]。對于裂紋和缺陷的研究較通用的方法為機械測試、熱處理和HIP 熱等靜壓工藝，并通過電子顯微鏡和計算機斷層掃描來研究SLM 件孔隙分布情況。最初觀察到微米級別的孔隙是影響疲勞強度的主要原因，其中殘余應力對疲勞裂紋增長的影響尤為顯著。
對于孔洞缺陷的產生，一般可通過調節(jié)掃描速度、功率和間距等工藝參數(shù)進行調節(jié)。為了減少SLM成形金屬零件的孔隙率提高致密度，王迪等人[33]對激光掃描單道熔池的形成特性進行了研究，探討了掃描速度和激光功率對熔池寬度的影響，發(fā)現(xiàn)熔池附近無粉區(qū)寬度與熔池寬度有直接關系，并分析了激光連續(xù)掃描粉末情況下的掃描線間搭接缺陷，實驗結果表明，層間錯開掃描策略對SLM 直接成型金屬零件的致密度與力學性能有明顯的改善。王志剛等[34]通過對SLM 制件進行HIP 處理后，發(fā)現(xiàn)真空裂紋完全愈合，試樣中不規(guī)則孔體積縮小，且形狀變?yōu)榍蛐位蛘呓蛐?。對于層厚較小，層與層之間粘結緊密，相對密度較高的零件HIP 后晶粒更粗大；層厚較大，層間存在少許粘結不良，但孔洞大部為閉合孔，HIP后晶粒細小且沿SLM 加工層間分布。SLM 制件經HIP 后，相對密度都有一定提升，尤其是對于閉合孔較多的制件中相對密度提升很大。
由于殘余應力對SLM 成形的影響，陳德寧等人[35]對SLM 蛇形掃描和島式掃描的溫度場進行了對比研究。結果表明：SLM 成形過程中熔池呈水滴狀，前端溫度等值線比后端細密。與蛇形掃描方式(見圖6(a))相比，島式掃描(見圖6(b))方式下島嶼邊緣會出現(xiàn)溫度二次升高現(xiàn)象，試件整體溫度場分布均勻，有利于減小應力集中。溫度場特點直接影響β 相柱狀晶的大小，島式掃描方式更易形成較粗的β相柱狀晶。張升等人[31]通過逐行交替掃描打印TC4合金制件。結果表明：其組織為網籃狀馬氏體組織，抗裂強度較差的馬氏體組織在殘余應力的作用下而產生裂紋，粗大的裂紋最終分解為較小裂紋而終止擴展，并認為通過調整成形工藝參數(shù)(激光能量、掃描速度、掃描間距)以及控制熔滴的體積可改變制件組織，同時削弱殘余應力，從而達到減弱或消除裂紋的目的。Murr 等人[36]通過測試TC4合金的殘余應力，發(fā)現(xiàn)成形件主要受拉伸應力的作用，且可達到幾百MPa。殘余應力的產生主要是由于熔池內較大的溫度梯度，消除殘余應力的方法主要有：1) 調整加工工藝，控制熔池大小，使熱量能較快的散失出去；2) 通過熱處理使殘余應力釋放；3) 施加靜載或動載。粉末粒度(D50 中位粒徑)、球形度、流動性、夾雜、氣體含量等也對打印件的質量影響很大，激光選區(qū)熔化成形比較合適的粉末粒度為25~45 μm，粉末球形度會影響送 粉和鋪粉的穩(wěn)定性，而影響打印質量，粉末中的夾雜物以及氣體等會在打印制件內形成夾雜和氣孔[37]。
4、結束語
直接制造金屬零件，甚至是組裝好的功能性金屬制件產品，無疑是制造業(yè)對增材技術發(fā)展的終極目標要求。采用激光或電子束直接熔化金屬粉末，逐層堆積金屬，形成金屬直接成形零件，是現(xiàn)代制造技術的一個跨越。該技術可直接制造復雜結構金屬功能零件，其制件力學性能可達到鍛件性能指標，更能制造出滿足個性化需求的生物醫(yī)用植入體。通過增材制造和減材加工組成的復合加工系統(tǒng)，可滿足高精度零部件制造加工的要求。通過系統(tǒng)集成現(xiàn)有先進精密機械、電器控制與軟件控制，實現(xiàn)選區(qū)激光熔化設備國產化，以此拓展并推動增材制造在工業(yè)中的應用。因此，金屬增材制造技術對定制化復雜型金屬材料而言，是一種極為有利的加工制造技術。增材制造技術也為生物制造科學和仿生制造科學提供研究手段，使得增材制造技術的內涵進一步得到延伸。
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