【焦点】钛合金 l 激光增材制造高温合金原位增强钛合金复合材料的组织与力学性能…l 中科大等

| 3DScienceValley · 2024/03/13

谷专栏

根据3D科学谷，自2022年以来增材制造市场发生显著变化，航天军工的需求强势崛起，导致包括对选区熔融金属3D打印、电弧熔丝增材制造技术、激光沉积送粉成形、复合材料增材制造技术的需求都发生了急剧的增长需求。毋庸置疑，国内商业航天的加速发展，将在未来5年导致3D打印市场发生显著变化。当前航空航天采用金属增材制造存在着一些障碍与挑战，与更简单的 3D 打印技术相比，金属增材制造本质上涉及对过程的更严格控制。这些反过来又可能成为该行业许多人的进入障碍。

本期，通过节选近期国内钛合金增材制造领域方面的实践与研究的多个闪光点，3D科学谷与谷友一起来领略快速发展的钛合金3D打印的研究情况。

激光增材制造高温合金原位增强
钛合金复合材料的组织与力学性能

朱幼宇1,2任德春2雷波2姜沐池2杨兴远2刘意2蔡雨升2吉海宾2雷家峰2

1. 中国科学技术大学材料科学与工程学院2. 中国科学院金属研究所师昌绪先进材料创新中心

摘要：

采用激光选区熔化成形（selective laser melting,SLM）技术制备TCGH(TC4+GH4169)复合材料，探究TCGH钛合金复合材料的最佳成形工艺参数，并研究沉积态试样和热处理试样的显微组织与力学性能。

结果表明：TCGH钛合金复合材料的最佳工艺参数为扫描速率900 mm/s、激光功率150 W，致密度达到99.5%以上。GH4169粉末的添加改变了TC4钛合金材料的固态相变行为，沉积态组织呈现明显高温凝固特征，使得逐行扫描搭接和逐层扫描堆积成形特征变得明显，沿打印方向原始粗大柱状β晶粒尺寸明显减小，复合材料抗拉强度提升。与沉积态试样相比，950℃热处理后，试样显微组织转变为近等轴组织，同时随着热处理温度上升，第二相的回溶导致复合材料的固溶强化作用占主导地位，使得复合材料抗拉强度和塑性均得到提升。

球形钛合金粉末制备技术
及航空增材制造应用研究进展

李有余1余力2高扬3

1. 北京科技大学冶金与生态工程学院2. 西昌学院理学院3. 龙蟒佰利联股份有限公司

摘要：

钛合金具有高强轻质耐高温的特点，因而成为拥有巨大前景的航空结构材料。传统的机械制造工艺难度大、成本高，限制了钛合金的应用。增材制造(AM)作为新兴的先进制造技术，可以通过逐层加工的方式制造出具有较高三维精度的金属部件，从而实现钛合金的近净形加工。因此，首先介绍了球形钛合金粉末制备技术，其中包括等离子旋转电极雾化法（PREP)、电极感应气体雾化法（EIGA）、等离子体雾化（PA）和等离子球化技术（PS）等，对比4种球形钛合金粉末的制备技术和优缺点，以及在航空增材制造的应用，包括激光选区熔化（SLM）、电子束选区熔化（EBSM）和激光熔化沉积（LMD）等，总结了不同钛合金粉末制备技术在航空增材制造的应用特点和发展趋势，并指出钛合金增材制造未来发展的关键是低间隙钛粉的制备，增材制造设备高精度、高效率和大型化将是未来的发展趋势。

激光熔化沉积TC4钛合金
电涡流检测仿真及亚表面缺陷检测

赵宇辉1,2赵吉宾1,2李明玥1,2,3何振丰1,2王志国1,2贺晨1,2

1. 中国科学院沈阳自动化研究所2. 中国科学院机器人与智能制造创新研究院3. 沈阳工业大学材料学院

摘要：激光熔化沉积零件制造及使用过程中容易产生缺陷，电涡流检测是一种非接触检测方法，针对表面及亚表面缺陷具有很高的检测灵敏度，易于实现自动化检测，在增材制造领域极具应用前景。研究通过有限元仿真技术建立了无缺陷TC4钛合金增材样件电涡流检测模型，模拟电涡流检测过程中电场强度的分布规律，研究激励频率、提离量对电涡流检测信号的影响。研究发现，针对样件内不同深度的位置激励频率存在最佳区间，而提离量则应尽可能采用较小值。采用激光熔化沉积技术制备了含有亚表面缺陷的TC4钛合金试验样件，用于电涡流检测试验测试，将电涡流检测设备与机器人集成，采用机器人做执行机构来保证提离量及运动的平稳性，最终获得的试验结果与仿真结果具有较好的一致性。

面向激光增材制造的
仿生薄壁结构抗冲击研究

李佳1宋梅利1冯君2汤海斌3

1. 南京理工大学机械工程学院2. 南京理工大学瞬态物理国家重点实验室3. 南京理工大学智能制造学院

摘要：冲击载荷是航空航天装备结构设计中不可忽视的因素，设计承载能力高、吸能特性好的薄壁结构是研究热点。综合骨骼和蜂窝的结构特征，基于Voronoi算法，开展了类蜂窝六边形结构伪随机排布；参考骨质内疏松外紧密的排布特征，进行分区设计，来构造新型抗冲击结构。通过激光选区熔化钛合金和激光选区烧结纤维/PEEK(Polyether Ether Ketone，聚醚醚酮)复合材料结构的抗冲击仿真，对比了所构建的仿生薄壁结构与传统均布蜂窝结构的吸能特性。

仿真结果表明：相比于均布蜂窝结构，在轴向冲击条件下，激光选区熔化钛合金和激光选区烧结纤维/PEEK复合材料仿生薄壁结构的最大吸能量分别提高了17.7%和27.7%；在侧向冲击条件下，最大吸能量分别提高了422.6%和99.2%。所设计的仿生薄壁抗冲击结构在航空航天领域具有重要的应用前景。

钛合金深冷处理工艺研究综述

冯泽群、邹海馨、刘钇麟、窦奕、卓江鹏

常州大学机械与轨道交通学院

摘要：钛合金以其优异的生物相容性、出色的力学性能和抗腐蚀性而广泛应用于航空航天等领域。然而，现代工艺制备的钛合金存在延展性和耐疲劳性较差的问题，同时钛金属本身的耐磨性也较差，因此需要通过合适的后处理工艺来改善其力学性能。在这种背景下，深冷处理凭借其便捷、无污染、低成本及能显著改善金属材料组织和综合性能等优势，成为机械加工领域备受瞩目的研究方向。研究中简要介绍了深冷处理的发展历程以及2种主要加工方法：液态法和气态法，同时概括了气态法的具体流程。其次重点综述了国内外深冷处理工艺对钛合金组织和织构的影响，分别从深冷时间、深冷温度与循环次数3个方面，归纳了深冷处理工艺对钛合金硬度和拉伸性能的影响以及深冷工艺的作用机理，并进一步探究了深冷处理工艺对钛合金制件摩擦磨损性能和耐疲劳性能的影响规律。最后介绍了深冷处理复合工艺方法，为基于深冷处理的加工工艺的发展提供有益参考和启示。

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