小序

金属3D打印手艺源于20世纪90年月的快速成形工艺（rapidprototyping，，，，，，，，rp），，，，，，，，以“离散＋群集”的增材制造理念作为基础，，，，，，，，应用高能粒子束熔化金属粉末，，，，，，，，团结三维实体数 字模子逐层制备高性能近全致密金属零件[1]。。。。。粉末金属3D打印手艺主要由激光熔化沉积成形手艺（LMd）、激光选区熔化成形手艺（SLM）、电子束选区熔化成形手艺（SEBM）三种手艺组成[2-5]。。。。。相比于细密铸造、轧制铸造等古板工艺，，，，，，，，3D打印手艺优势在于：（1）高能粒子束瞬时温度可达数十万摄氏度，，，，，，，，适于制备钛合金等难熔金属零件；；；；；；；；（2）属于近净成形手艺，，，，，，，，节约机械加工时间和镌汰金属废物，，，，，，，，适于制备难加工、难变形钛合金零件；；；；；；；；（3）增材制造手艺理念，，，，，，，，无需造型模具即可制备几何形状重大的钛合金零件，，，，，，，，不但能够大幅缩短零件从设计到投产的生产周期，，，，，，，，并且能够阻止陶瓷夹杂污染；；；；；；；；（4）真空或惰性气体气氛的制备情形，，，，，，，，最洪流平地阻止氮、氧等杂质气体对合金性能的影响；；；；；；；；（5）准确控制合金因素漫衍，，，，，，，，适于制备双合金盘等功效梯度质料[6，，，，，，，，7]。。。。。

钛合金具有高比强度、低热膨胀系数、强耐侵蚀性、优异的生物相容性等优点，，，，，，，，在航空航天、石油能源、医疗器械、海洋舰船等领域拥有辽阔的应用，，，，，，，，并已经形成工业化规模[8-11]。。。。。将金属3D打印手艺应用于钛合金零件制备，，，，，，，，不但能够显著提高钛合金质料使用率，，，，，，，，还能战胜钛合金难熔难变形、易受陶瓷坩埚和气体元素污染的工艺难点，，，，，，，，因此具有辽阔的应用远景。。。。。本文对粉末钛合金3D打印手艺的制备原理、成形件特点举行讨论，，，，，，，，并对近年来相关研究希望举行总结，，，，，，，，最后讨论了粉末钛合金3D打印手艺市场化现状及生长趋势。。。。。

1、钛合金3D打印手艺的研究现状

1.1激光熔化沉积成形手艺（LMD）

激光熔化沉积成形手艺于20世纪90年月由美国Sandia国家实验室和美国optoMEｃ公司相助开发。。。。。随后，，，，，，，，全天下高校和科研机构相继开展自力的研究事情，，，，，，，，例如美国Sandia实 验室的激光净近成形手艺（LEnS）[3]、中国西北工业大学的激光立体成形手艺（LSＦ）[12]、英国曼彻斯特理工学院的激光直接沉积手艺（dLd）[13]、美国密西根大学和poM公司的金属直接沉积手艺（dMd）[14]等。。。。。虽然名称差别，，，，，，，，可是基来源理均是使用惰性气体运送金属粉末，，，，，，，，再通过送粉器和粉末喷嘴将金属粉末群集于千瓦级激光束焦点处举行瞬时熔化，，，，，，，，然后凭证盘算机模子自下而上地逐层群集金属熔融层，，，，，，，，最终直接打印出三维金属成形件，，，，，，，，整个制备历程均处于惰性气体保；；；；；；；ぶ，，，，，，，，事情原理示意图如图1所示[15]。。。。。

LMd主要参数包括激光功率、扫描速率、搭接率、单层厚度、送粉速率等，，，，，，，，为了便于试验剖析，，，，，，，，引入线能量并将其界说为激光功率与扫描速率的比值，，，，，，，，单位为Ｊ/MM。。。。。LMD以千瓦级激光器为能量源，，，，，，，，熔池温度高，，，，，，，，易形成粗大的晶粒，，，，，，，，在制备ti-22aL-25nB历程中，，，，，，，，显微组织体现为细针状魏氏体组织[16，，，，，，，，17]。。。。。张霜银等[18]研究批注线能量大于993Ｊ/MM时，，，，，，，，晶粒泛起等轴晶形态；；；；；；；；搭接率为40％时，，，，，，，，成形件未见熔合不良征象；；；；；；；；单层厚度过小会造成重熔加深，，，，，，，，导致层间组织粗大。。。。。LMD钛合金组织具有外延生长的特征，，，，，，，，易形成贯串多个沉积层的柱状晶粒，，，，，，，，显示出定向凝固特征。。。。。CarroLL等[19]制备的“十”字型Ti-6Al-4V合金成形件，，，，，，，，初生β沿袭竖直偏向生长为细长的柱状晶粒，，，，，，，，成形件具有力学各向异性，，，，，，，，其中横向伸长率显着高于纵向伸长率。。。。。Ｑiｕ等[20，，，，，，，，21]研究批注高激光功率和低送粉率能够最洪流平地镌汰Ti-6Al-4V合金的孔隙率，，，，，，，，通事后续热等静压处置惩罚能够促使马氏体α′相转变为片层状α＋β相，，，，，，，，进而提高合金韧性、消除力学性能的各向异性。。。。。TC11钛合金成形件沿笔直于激光抬升偏向具有高强度和低塑性的力学性能；；；；；；；；近β相钛合金Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1F的晶粒拥有3种形态，，，，，，，，划分为沉积层重叠区的大柱状、顶部的小柱状和底部的等轴状[22-25]。。。。。表1列出差别牌号钛合金LMd成形件的力学性能。。。。。

1.2激光选区熔化沉积成形手艺（SLM）

激光选区熔化成形手艺最早于1995年由德国Ｆraｕ-ｈoｆEr[27]研究所提出，，，，，，，，该手艺是在Ｃ.r.dEｃｈard[28]激光选区烧结成形手艺（SELEｃtiｖELaSErSintEring，，，，，，，，SLS）的基础上生长而成，，，，，，，，两者的工艺原理基内情同，，，，，，，，详细流程如下：扫描前，，，，，，，，水平铺粉辊将金属粉末平铺在基板上；；；；；；；；激光束遵照三维轮廓数据选择特定区域举行粉末熔化，，，，，，，，加工出目今层的轮廓；；；；；；；；然后通过可升降平台下降一个图层的厚度，，，，，，，，粉辊在已加工好的前一图层上平铺金属粉末，，，，，，，，控制程序调入下一图层数据举行加工，，，，，，，，云云层层重复制备金属零件。。。。。整个历程均处于惰性气氛保；；；；；；；ぶ，，，，，，，，阻止高温条件下钛合金与杂质气体爆发反应，，，，，，，，包管钛合金成形件的因素切合要求。。。。。

SLM工艺参数包括激光功率p、扫描速率ｖ、单层厚度t、扫描间距ｈ、扫描战略等，，，，，，，，引入综合评定参数能量密度，，，，，，，，单位为Ｊ/MM3。。。。。研究批注[29，，，，，，，，30]，，，，，，，，低能量密度易在Ti-6Al-4V成形件顶部泛起大宗气孔和熔合不良点，，，，，，，，显微组织以片层状α＋β相为主；；；；；；；；高能量密度易导致质料汽化而天生内嵌孔，，，，，，，，显微组织以针状马氏体α′相为主。。。。。tｈiｊS等[31]研究批注高能量密度增进铝元素偏聚在tＣ4合金熔池界线，，，，，，，，从而增大α2-ti3aL相含量。。。。。yadroitSEｖ等[32]使用ＣＣd相机光学监控系统视察到增添激光功率、延伸激光辐照时间均会提高熔池的最高温度、几何宽度和深度。。。。。别的，，，，，，，，近年来学者将热等静压手艺（Ｈip）与SLM手艺配套使用，，，，，，，，有用降低SLM成形件的孔隙率。。。。。研究批注[33-38]，，，，，，，，通过Ｈip处置惩罚，，，，，，，，能够将孔隙率从沉积态的0.501％降低为热等静压态的0.012％，，，，，，，，并能改善合金性能。。。。。图2为激光选区熔化成形示意图，，，，，，，，表2列出了SLM钛合金成形件力学性能。。。。。

1.3电子束选区熔化成形手艺（SEBM）

电子束选区熔化成形手艺由瑞典ＣｈaLMErSＵniｖErSityoｆtEｃｈnoLogy与arｃaM公司在20世纪90年月初期配合开发，，，，，，，，接纳逐层铺粉熔化的方法制备金属零件，，，，，，，，工艺流程与SLM类似，，，，，，，，区别在于SEBM以电子束替换激光作为能量源，，，，，，，，制备历程处于10^-3pa以上的高真空情形。。。。。电子束能量源具有能量使用率高、作用深度大、金属反射小、质料吸收率高等优点，，，，，，，，成形效率显着高于SLM工艺；；；；；；；；高真空情形能够最洪流平地降低空气中o、n等间隙元素对证料的污染。。。。。

SEBM手艺参数主要包括电子束电流、焦点赔偿、扫描速率、加速电压等。。。。。SEBM手艺制备的ti-48aL-2nB-2Ｃr合金显微组织拥有板条状、块状等多种形态的γ-tiaL相集束 [39]。。。。。

SEBM手艺制备的ti-6aL-4Ｖ显微组织以片状α相为主，，，，，，，，片层之间有少量β相[40]。。。。。Saｆdar等[41]试验批注SEBM手艺制备的ti-6aL-4Ｖ的粗糙度ra值随成形件高度和光斑直径增添而增添，，，，，，，，随扫描速率和焦点赔偿的减小而减小。。。。。ＫarLSSon等[42，，，，，，，，43]接纳SEBM制备的ti-6aL-4Ｖ成形件侧面附着有更多的未熔颗粒，，，，，，，，顶面由于重熔效应而相对平滑。。。。。SEBM接纳超高动能电子束高速轰击金属球形粉末，，，，，，，，如图3所示，，，，，，，，当电子束部分动能直接转化为粉末动能时，，，，，，，，容易引发粉末溃散征象，，，，，，，，即粉末颗粒；；；；；；；岜坏缱邮巴瓶倍纬纱斗壅飨骩44]。。。。。现在，，，，，，，，避免炊粉的基来源则是提高粉床的稳固性，，，，，，，，从而战胜电子束推力，，，，，，，，步伐包括：选择相宜的粉末粒度和流动性、预热粉末和基板、优化电子束扫描战略。。。。。ＨraBE等[46]预先加热基板从而有用避免粉末溃散征象，，，，，，，，并获得显微组织匀称、力学性能相近的差别高度成形件。。。。。表3为差别SEBM钛合金成形件的力学性能，，，，，，，，批注SEBM钛合金依然具有力学各向异性。。。。。

2、粉末钛合金3D打印应用希望

近年来，，，，，，，，3D打印装备和金属粉末制备手艺的一连生长，，，，，，，，一直推进3D打印粉末钛合金成形件在医疗、航空航天等领域的市场化应用。。。。。表4比照研究了LMD、SLM、EBM三种3D打印手艺的参数特点。。。。。LMD装备使用千瓦级激光器，，，，，，，，成形效率高，，，，，，，，易于获得全致密的显微组织，，，，，，，，通常情形下用于制备大尺寸钛合金结构件，，，，，，，，例如，，，，，，，，2001年美国aEroMEt公司的钛合金翼根吊环、近几年国产大客机Ｃ919的钛合金中央翼梁和歼31的主承力钛合金增强框构件。。。。。可是，，，，，，，，成形件尺寸精度低、机加工余量大、高功率激光易氧化是制约LMD手艺进 一步生长的主要因素。。。。。SLM装备光斑直径小、单层厚度低、粉末粒度小，，，，，，，，因此具有最优的外貌质量，，，，，，，，适于制备多孔质料、几何结构重大的小型钛合金部件等净成形零件，，，，，，，，如图4所示。。。。。可是，，，，，，，，SLM成形效率低、金属粉末本钱高昂是该工艺亟待解决的手艺难点。。。。。SEBM装备能力介于LMD与SLM两者之间，，，，，，，，既有较好的外貌质量，，，，，，，，又有较高的成形效率，，，，，，，，是现在医疗领域、航空领域的主要制备手艺，，，，，，，，如图5所示。。。。。表5列出了差别3D打印装备的成形件尺寸和能量源功率，，，，，，，，可以看到，，，，，，，，SLM和SEBM的装备能量源功率和成形件尺寸均小于LMD装备，，，，，，，，因此，，，，，，，，LMD具备打印大型成形件的能力。。。。。图6为近年来金属粉末3D打印装备研发希望情形，，，，，，，，可以看到高功率能量源的研发不再是装备的主要关注点，，，，，，，，反而大尺寸成形件、高精度光斑、恒定能量源是未来3D打印装备的主要生长趋势。。。。。

3、结语

粉末钛合金3D打印手艺作为一项新型的钛合金制造手艺，，，，，，，，适于制备高熔点、难变形、高活性的钛合金近净成形件，，，，，，，，近年来迅速成为天下钛合金制造业的研究热门。。。。。现在，，，，，，，，海内 粉末钛合金3D打印手艺尚处于初级商业化阶段，，，，，，，，未来亟待解决的问题包括：（1）高品质球形钛合金粉末生产装备及工艺研发，，，，，，，，替换现在价钱高昂的入口钛合金粉末；；；；；；；；（2）建设3D打印钛合金手艺标准，，，，，，，，包括标准显微组织、热处置惩罚工艺、热等静压后处置惩罚等方面，，，，，，，，充分验展3D打印钛合金的综合性能；；；；；；；；（3）完善钛合金3D打印手艺的本钱核算系统，，，，，，，，着力开拓“投入-产出比”较高的领域；；；；；；；；（4）进一步研发高成形精度、低外貌粗糙度、高成形效率的商业级金属3D打印装备。。。。。未来，，，，，，，，随着手艺研究的一直积累和商业模式的一连改善，，，，，，，，粉末钛合金3D打印手艺的工业化应用必将成为钛合金制造业生长的主要推力和全新增添点。。。。。

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