钛合金在增材制造中的研究进展与趋势

注：林鑫与黄卫东, 高性能金属构件的激光增材制造. 中国科学:信息科学, 2015(09): 第1111-1126页
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钛合金-组织与力学性能
钛合金主承力构件加强框
C919飞机钛合金中央翼缘条
钛合金沉积态性能呈现各向异性：沿沉积方向强度低而延伸好 垂直于沉积方向正好相反
其制成品经过退火及固溶、时效强化等热处理后，性能差异基本消失。
钛合金在增材制造中 的研究进展与趋势
目录
发展 现状
钛合 金
结论
展望
发展 现状
发展现状
“ 增材制造技术是一种用材料逐层或逐点堆积出
制件的制造方法，其迅速在工业造型、制造、建筑、
医学等领域得到良好应用。
”
——王从军
注：薄材叠层增材制造技术 2013.06
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发展现状
增材制造技术用途
注：廖文俊与胡捷, 增材制造技术的现状和产业前景. 装备机械, 2015wenku.baidu.com01): 第1-7 页.
注：胡捷等, 金属材料在增材制造技术中的研究进展. 材料导报, 2014(S2): 第459-462页.
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钛合金-微观结构
钛合金粉末
超细TC4钛合金粉末
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钛合金—常见技术
钛合金增材 制造技术
熔化沉积送粉
激光立体成形技术
激光，同轴送粉
电子束熔丝成形技术
电子束，送丝
激光选区熔化成形技术
选区熔化储粉
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钛合金—原材料特性
合金粉末：
粒度、形状及氧的质量分数对产品的质量会产生显著影响 气孔缺陷与粉末的松装密度有关 电子束熔融技术的材料是各种合金粉体 为解决粉末易被电子束推开的问题，可采用 1、水雾化法制得的粉末；2、不同粒径混合的粉末
合金丝材：
电子束自由成形技术的熔覆材料为各种合金丝材 考虑丝材的直径均匀度和元素含量波动度 以电子束为热源的快速成形制造中，考虑真空挥发问题 为此，应制定特殊的原材料化学组份指标
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钛合金-冶金缺陷
材料 特性
特种 参量
缺陷带来什么影响？
注：邢建伟等, 钛合金零件增材制造中的材料测试, 全面建成小康社会与中国航空发展 ——2013首届中国航空科学技术大会2013: 中国北京. 第5页
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钛合金-组织与力学性能
在柱宏微L状S观观胞F 上上件晶，，的初生组初顶生长L织生部S机柱FT柱由,理状（i出-状贯6：枝(l现Aa晶穿晶ls-了e由多4凝r等V针个s固o构轴状熔过li件晶d、覆程从层F魏层中o底r氏呈枝m部板外晶in到条延g间顶）生及无部制长一低的造的定熔宏的粗体点微α大积共+观柱分β晶组数状钛相织的胞合，.板晶金条组成间.相组成. 初生枝晶的亚晶界穿透固态相变过程中板条的生长消失
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钛合金
钛合金-国内外研究现状
不同种类钛合金出现时间轴
Ti-6Al-4V(TC4)
Ti-6Al-3.5Mo1.8Zr-0.3Si(TC11)
Ti-6Al-2.5Mo-2Cr0.5Fe-0.3Si(TC6)
Ti-6Al-2Zr-1Mo1V(TA15)
Ti-4Al1.5Mn(TC2)
Ti-5.5Al-4Sn-2Zr-1Mo-0.3Si-1Nd(Ti60) Ti-6Al-2.8Sn-4Zr-0.5Mo-0.4Si0.1Y(Ti600)
为了满足产品的最终要求，增材制造产品经常需要后处理工序。
3 这些步骤会影响生产效率并增加了生产成本，此外还有可能引入 新的工艺变量，影响产品质量。对增材制造后处理的精确控制还 需要进一步解决；
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Thank you!
激光，铺粉
电子束选区熔化成形技术
电子束，铺粉
钛合金增材制造技术分类
注：邓贤辉与杨治军, 钛合金增材制造技术研究现状及展望. 材料开发与应用, 2014(05): 第113-120页
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钛合金—常见技术
四种钛合金增材制造工艺对比
注：邓贤辉与杨治军, 钛合金增材制造技术研究现状及展望. 材料开发与应用, 2014(05): 第113-120页
2 增材制造组织特点
宏观组织：发现层与层、道与道之间有深浅相间的条带花样 在沉积态的制件内部沿堆积方向生长的粗大柱状晶；
明区显微组织与暗区显微组织分别为细小的针状马氏体和网篮组织
3 钛合金测试技术
钛合金增材制造中的测试具有其独特之处。原材料、缺陷、组织的
测试项目与锻件等有较大差异，但材料测试所需测设备均属常见测
制件的组织及性能测试 沉积态可采用光学显微镜、扫描电镜观察暗区，快速凝固使组织 更为细小，观察的放大倍数较传统材料高； 力学性能测试与锻铸件所采用的方法相似； 目前同样没有可以直接采用的标准。
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结论
结论
1 有优有劣，优大于劣
增材制造较传统加工方法有不可替代的优越性，也有很多方面需要 完善。只有成型质量、速度、成本有了质的飞越，增材制造才能为 制造业的发展提供巨大的动力。
试设备。
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展望
展望
增材制造金属材料的力学性能远未完美,，即使是对于目前研究最
1 为成熟的Ti-6Al-4V 合金， 其中、低周疲劳强度还有待进一步的 提高, 增材制造的组织特征和强韧化机理亟待解决；
数据库、标准/ 认证体系缺乏，有待进一步改善。不知道材料的
2 局限性和优点导致选材困难；有限的数据不足以建立精确的数学 模型，降低了对产品性能的预期能力；几乎没有什么可查阅的公 开产品性能数据
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钛合金-测试检验控制
原材料测试检验控制 增材制造原材料的力学性能、金相组织等无法进行； 粉体材料应着重关注其粒度、粒度分布、形貌及颗粒中的空隙； 丝材应考察其几何尺寸均匀度； 目前尚无用于粉体及丝材的标准规范。
冶金缺陷的测试检验 主要为熔化不良与过热变形开裂； 可采用锻件材料测试中常用的金相显微组织观察、X射线探伤机、 超声波探伤等； 缺陷的典型形态、裂纹评价指标及标准规范等待定。