钛合金拥有高比强度
、、、比刚度和优良的耐侵蚀机能，满足了飞机高机动性
、、、高靠得住性和长命命的设计必要，其利用水平已成为衡量飞机选材先进水平的一个重要标志[1-2]。。。机能    和成本是资料技术发展永恒的两大驱动力，而轻量化
、、、整体化
、、、结构职能一体化是飞行器结构设计
、、、资料利用和制作技术共同面对的挑战。。。在从前的几十年里，诸如热等静压
、、、注塑成形
、、、放电等离子烧结等近净成形技术在钛合金领域获得了长足的进取，但氧含量
、、、孔隙率等瓶颈问题依然没有得到有效解决，因而制约了其在航空钛合金结构制作中的利用 [3-4]。。。

航空钛合金零件的出产工序多
、、、流程长（图 1），锻件的资料利用率通常不到 10%，其切削加工的成本占40% 左右。。。此外，钛合金流变应力大，必要在高温前提下成形，模具费 用高昂。。。这些成分极大地影响了钛合金零件的制作成本与供货周期。。。增材制作作为近净成形技术的一个新方向，是一种基于离散 - 堆积道理，选取资料逐层累加的步骤由三维数模直接制作零件的技术[5-6]，可分为 CAD 建！
！
、、、分层处置
、、、成形制作
、、、后处置 4 个工序（图 2）。。。增材制作无需模具，在一台设备上可急剧精密地制作出复杂状态的零件，大大削减了工序并缩短了周期，尤其适合钛合金
、、、高温合金等难加工资料的成形。。。

航空产品拥有多种类
、、、小批量的特点，零件结构越复杂，增材制作的成本和效能优势相比传统制作步骤就越显著，尤其是在飞机研制与定型阶段，各类增材制作步骤已阐扬不成替 代的作用，展示出巨大的科研价值和经济效益[7-8]。。。

一
、、、钛合金增材制作技术及其利用

钛合金的增材制作可分为直接能量沉积与粉末床溶解两个技术类别，再凭据热源的分歧，如今形成了激光熔粉沉积（Laser MetalDeposition, LMD）
、、、电 子 束 熔 丝 沉积（Electron Beam Wire Deposition,EBWD）
、、、电 弧 熔 丝 沉 积（Wire ArcAdditive Manufacturing, WAAM）
、、、激光选区溶解（Selective Laser Melt-ing, SLM）
、、、电子束选区溶解（ElectronBeam Melting, EBM）5 种重要步骤（表1）。。。

直接能量沉积技术效能高，平台柔性好，成形零件的尺寸大，还可在原有零件上进行修复和再制作，但弊端是不具备制作复杂空心结构的能力，成形的毛坯还必要经过较多的机 械加工能力获得最终零件。。。值得一提的是，激光熔粉沉积步骤还能同步混合分歧资料的粉末来实现复合伙料的成形。。。相比之下，选区溶解技术的最大利益是其复杂精密结构的成 形能力（如带有内流道的叶片或空间点阵结构），然而零件尺寸受到成形腔空间的限度。。。从热源的角度来说，电子束必要在真空环境中运行，固然成本较高，但成形过程中残存应力小，成形零件通常毋庸退火；；；而激光或电弧在惰性气体环境中运行，冷却速度快，成形零件残存应力较高。。。表2 列举了 5 种增材制作工艺及其成形零件的特点，从 5 个量化维度（图3）来看，这几种工艺各有优势，重要的是凭据所需成形零件的特点来选择与之适应的工艺。。。直接能量沉积技术（LMD, EBWD，WAAM）适合于大型零件毛坯的急剧成形，而粉末床溶解技术（SLM, EBM）适合于小型复杂零件的精密成形。。。

激光熔粉沉积技术的起步较早，1995 年美国 Sandia 国度尝试室开发出了用激光束逐层溶解金属粉末来制作致密金属零件的技术，针对钛合金
、、、高温合金
、、、不锈钢等多种资料开 展了大量工艺钻研。。。1995 年起，美国国防部高级钻研打算署和水师尝试室结合出资，由约翰霍普金斯大学
、、、宾夕法尼亚州立大学和 MTS 公司共同开发了利用大功率 CO2 激光器实现大尺寸钛合金零件的制作技术，并合作成立了 AeroMet 公司，实现了 Ti-6Al-4V 合金 1~2kg/h 的沉积速度。。。AeroMet 公司获得了美国军方赞助，发展了飞机机身钛合金结 构件的激光熔粉沉积技术钻研，实现了机能查核和尺度制订，并于 2002年 实 现 Ti-6Al-4V 次 承 力 构 件 在F/A-18 等飞机上的装机利用[9-11]。。。 在熔丝成形方面，美国 Sciaky公司结合洛克希德 · 马丁与波音公司等合作发展大型航空钛合金零件的电子束熔丝沉积（EBWD）钻研。。。

洛·马公司选定了 F-35 飞机的襟副翼梁作为电子束熔丝成形的试验件，零件成本降低 30%~60%[12]。。。此外，针对水师无人战斗机打算，美国 CTC公司辅导的钻研小组制订了“无人战机金属制作技术提升打算”，将电子束熔丝技术作为将来大型结构低成本高效制作的规划，指标是将无人机钛合金结构的重量和成本降低 35%。。。

2010 年以来，挪威 Norsk Titanium 公司开发了电弧熔丝沉积（WAAM）设备并制备了钛合金零件，其长度达到1m。。。它选取混合制作的步骤，在 Ti-6Al-4V 板材的部门沉积形成带有肋条的毛坯，再经过机械加工而成，其资料利用率约 30%，力学机能可达到锻件水平。。。该公司的钛合金 WAAM技术于 2016 年获得了美国联邦航空治理局的技术成熟度 8 级认证。。。此外，克兰菲尔德大学于开发了基于等离子弧的钛合金 WAAM 技术，其沉积效能更高，节制也更容易[13-14]。。。这3 种直接能量沉积技术在航空钛合金结构的研制与验证阶段可大幅降低成本，缩短迭代周期。。。

在航空领域，设计与制作的融合是将来的风雅向，目前激光选区溶解与电子束选区溶解是利用远景最被看好的技术，GE 于 2017 年斥资收购 Concept Laser 与 Arcam 就是有力 的证明。。。只有选区溶解技术具备成形复杂精密结构的能力，而这种能力与航空零件结构优化的需要高度吻合。。。目前 SLM 的 OEM 厂商有 EOSGmbH，Renishaw Inc.，SLM SolutionsGmbH，Concept Laser GmbH（2017年被 GE 收购）等，Concept Laser XLine 2000 设备的最大成形零件尺寸可达 800mm×400mm×500mm ；；；而电子束选区溶解的贸易化设备仅有Arcam AB（2017 年被 GE 收购）可能提供，其 Arcam Q20 设备成形腔尺寸为 φ350mm×380mm。。。

空客通过基于有限元分析的结构优化利用于现有零件的再设计，选取激光选区溶解技术实现了大幅减重，而优化后高度复杂的结构是其他步骤难以实现的（图 4）。。。另一个优化设计的例子是座椅安全带的锁扣，选取优化设计后的 Ti-6Al-4V 代替不锈钢可实现 55% 的减重，对于拥有 853 个座椅的空客 A380 来说，服役期间可节俭 300 万美元的燃油费 用，而这些选取 SLM 制作的锁扣成本仅 25 万美元。。。第一个进入批产的SLM 零件是 GE LEAP 发起机中的高温合金燃油喷嘴[15]，原有的 20 个组件此刻变为 1 个，实现了 25% 的减重，并且寿命是原有零件的 5 倍。。。到2020 年将有 10 万件选取 SLM 技术出产的燃油喷嘴装载在 LEAP 发起机里，为波音 737MAX 和空客 A320NEO 提供动力。。。

美 国 橡 树 岭 国 家 实 验 室（ORNL）是最早发展 EBM 成形技术 研 究 的 机 构 之 一，从 2010 年 起头与洛克希德 · 马丁公司共同进行F-35 钛合金空气泄漏检测支架的研制与认证，了局显示 EBM Ti-6Al-4V 支架的化学成分与力学机能满足ASTM 尺度要求[16]。。。GE-Avio 选取EBM 成形的钛合金除油器部件已经通过飞行测试，这种蜂窝结构是传统    制作步骤难以实现的。。。此外，该公司初次将 EBM 技术利用到钛基金属间化合物零件的制作上，以包办原有的铸造成形技术[17]。。。目前，TiAl 发起机低压涡轮叶片已经进入工厂测试阶段。。。

在国内，航空工业制作院
、、、北京航空航天大学
、、、西北工业大学等单元在航空钛合金增材制作技术研发与利用方面处于当先职位，涉及的钛合金资料蕴含 Ti-6Al-4V
、、、TA15
、、、 TC11
、、、TC18
、、、TC21 等，多个零件实现了装机利用[12，18]。。。此外，航空工业制作院还实现了 TiAl 低压涡轮叶片与蜂窝结构的 EBM 制作（图 5）[19]。。。

二
、、、增材制作钛合金显微组织与力学机能

增材制作现实上是一个微铸造过程，但其冷却速度极快，其中蕴含的多种物理过程如图 6 所示[20]。。。

熔池凝固过程中，电子束 / 激光 /电弧为热源，基板为热沉，因而凝固过程沿着沉积方向（z 向）产生。。。在第 n 层粉末或丝材溶解的过程中，之前的第 n-1 层已凝固的资料也被部 分溶解，形成了外延成长的前提，这导致了沿 z 向成长的柱状晶。。。在以上 5 种增材制作步骤制备的钛合金中，这种外延成长导致的柱状晶极度普遍[21-25]，但由于冷却速度的差距，柱状晶的描摹有所分歧，冷速较高的工艺（如 LMD 与 SLM）会在钛合金中形成马氏体相。。。图 7 为 EBM Ti-6Al-4V 合金的三维显微组织，可见毫米级的 β 柱状晶沿 z 向外延成长，它们之间被晶界 α 相隔开。。。在每一个 β 晶粒内部，魏氏组织占主导职位，同时有少量的 α/β 集束。。。值得一提的是，增材制作资料的显微组织是由移动熔池中熔体的冶金动力学行为与晶体形核 / 长大机制决定的，LMD 技术在资料显微组织节制方面拥有较大的自由度，早在 2001 年，Gaumann 等[26] 就实现了单晶与多晶镍基高温合金的调控，而 Liu 等[27]通过送粉量与激光功率的匹配实现了拥有等轴晶与柱状晶混合组织钛合金的成形。。。

针对分歧增材制作钛合金显微组织与力学机能的钻研好多。。。以Ti-6Al-4V 为例，增材制作资料的强度可能达到甚至超过铸造
、、、铸造等传统步骤制备的资料。。。以激光为热源的增材制作技术能够获得较高的强度，而塑性偏低，这是由于较高冷速形成的 α' 马氏体相造成的；；；而以电子束为热源所获得的资料拥有α/β 显微组织，这是由于真空环境中冷速较慢以及基板温度较高造成的，因而成形资料强度较低但塑性提高。。。电弧熔丝成形的钛合金显微组织与铸造资料类似，但相对藐小，其强度与电子束成形资料相当，塑性稍高

[28]。。。

由于 β 柱状晶是所有增材制作 Ti-6Al-4V 合金的典型组织，资料显微组织各向异性与晶体学织构对力学机能的影响成为一个热点问题，但目前学界尚未有统一的结论。。。有报道显示，在热流的作用下，β 晶粒沿着 <100> 方向成长，在随后的相转变过程中 α相遵循伯格斯矢量关系继承了 β 相织构[29]。。。然而，也有报道显示增材制作 Ti-6Al-4V中的 α相不存在显著的晶体学织构[25，30]。。。力学机能显示，相比于 XY方向，资料在 Z 方向的强度较低而塑性较高[25，31]，这被以为是 β 柱状晶之间与 Z 方向平行的粗壮 α晶界造成的。。。

三
、、、增材制作钛合金的认证与尺度

在对靠得住性要求极高的航空制作业中，成形工艺与零件质量的认证是必必要解决的问题。。。萦绕着增材制作的认证过程有设计
、、、资料
、、、工艺
、、、检测 4 个环节，针对每个环节中的各 项内容成立尺度是增材制作零件质量节制的关键（图 8）。。。最终的指标是固化成形工艺，并且资料机能不变地达到设计许用值。。。

美国国度尺度局颁布的金属资料增材制作路线图重点强调了质量节制，其中蕴含尺度与规范
、、、数据丈量与监测
、、、资料机能全面表征
、、、设计与制作过程仿照系统
、、、过程闭环节制系统[32]。。。对此，业界已经通过增材制作过程的具体纪录与参数分析发展了卓有功效的工作。。。例如，对成形过程中参数变动的傅里叶分析能够作为判定成形零件质量的凭据[33]。。。此 外，可选取光学或红外拍照的方式实时纪录每一层资料的成形质量，并将这些照片与参数日志结合后作为成形过程数值仿照的天堑前提[34]，进而预测缺点形成的趋向和显微组织 的各向异性，再通过成形资料的试验表征（如 x 射线，中子等）进行模型的验证与美满[34-35]。。。同时，这些模型也可用来进行成形过程中温度梯度的设计与固液界面移动速度的节制，进而实现资料显微组织的调控。。。

美国 AMS 4999A《退火 Ti-6Al-4V 钛合金直接沉积制品》尺度划定了原资料
、、、前处置
、、、制作工艺
、、、后处置
、、、检验检测要求及步骤等有关内容，合用于直接能量沉积 Ti-6Al-4V 零件的验收。。。其他增材制作钛合金有关尺度，如 AMS 7002《航空航天产品用激光粉末床增材制作粉末出产工艺要求》
、、、AMS 7003《激光粉末床溶解工艺》
、、、AMS 7004《在 Ti- 6Al-4V 去应力基板上的高沉积速度增材制作钛合金预制体》尚在制订中。。。2009 年美国资料与试验协会ASTM 组建了 F42 增材制作技术委员会，下设 8 个分委会，重要由 F42 01 检测步骤
、、、F42 04 设计
、、、F42 05 资料与工艺以及 F42 91 术语等 4 个分委会草拟颁布。。。目前，F42 05 重要针对粉末床溶解技术的钛合金
、、、镍基合金发展了相应的尺度制订，在尺度中划定了有关工艺的原资料要求
、、、前处置
、、、制作过程中质量节制
、、、后处置
、、、检验检测要求及步骤等方面的要求，合用于粉末床溶解制件的验收。。。ISO于 2011 年也成立了针对增材制作的尺度化技术委员会 TC261 ，随后与 ASTM F42 结合颁布了 3 份 ISO/ASTM 尺度，别离从术语界说
、、、坐标系界说
、、、增材制作数据体式等方面进行了规范。。。

AMS 4999A 划定直接沉积产品的退火温度为 900~925℃，而变形产品通常选取 700~790℃的通常退火制度。。。尺度增长了沉积工艺过程中制件的去应力退火制度及要求，反映 了在节制残存应力
、、、削减变形方面的工作进展。。。此外，该尺度划定了沉积资料的显微组织为 β 相基体上散布针状 α相，并且允许柱状晶的存在。。。

在力学机能方面，尺度思考了资料的各向异性，抗拉强度 / 屈服强度 / 延长率别离为 889MPa/799MPa/6%（XY向）, 861MPa/765MPa/5% （Z 向）。。。对于沉积产品的内部质量，尺度划定了不允许使用有害的外来资料，以及对孔洞等缺点的限度，并且增长了AMS2631《钛和钛合金棒材和坯料超声波查抄》与 ASTM E 1742《射线查抄》的要求。。。AMS 4999A 中还给出了工艺和供给商核准
、、、沉积参数核准
、、、沉积 / 几何参数核准
、、、制作纲领核准和出产工艺固化等节制要求，为直接沉积技术在我国飞机产品上的利用提供了重要凭据。。。另一项尺度 ASTM F2924《粉末床溶解增材制作 Ti-6Al-4V 尺度规范》允许使用返回粉并划定了返回粉的筛选和查抄步骤
、、、返回粉与新粉混合的比例
、、、返回粉使用次数等技术要求。。。显微组织该当是 α相和 β相组成的两相组织，其中 α相可所以针状
、、、片层状
、、、等轴状
、、、网篮状，允许 β 柱状晶的存在以及初生 β 晶界上有陆续的 α相。。。尺度要求 XY 向与 Z 向的拉伸机能要同时达到895MPa/825MPa/10%，与 Ti-6Al-4V锻件相当。。。此外，ASTM F2924 还对制作纲领提出了要求，蕴含了设备
、、、制作节制系统
、、、认证所需试样数量
、、、取样步骤
、、、填充资料
、、、成形腔环境
、、、热处置工艺等多项内容。。。必要补充的是，粉床溶解增材制作低间隙元素Ti-6Al-4V 的尺度为 ASTM F3001，其内容与 ASTM F2924 类似。。。

四
、、、增材制作钛合金零件的成本分析

增材制作的成本蕴含设备
、、、资料
、、、工时
、、、能耗
、、、劳动力与治理成本等。。；；；谥苯幽芰砍粱际醯脑霾闹谱鞒杀局校ㄒ约す馊鄯鄢粱，原资料成本占 10%，工程设计占 18%，工艺占 42%，后续加工占 20%，其他（如检测）占 10%。。；；；诜勰┐踩芙獾募际踔，每一炉次零件总体积相对于成形腔的尺寸决定了单个零件成形功夫和成本。。。这是由于整个成形腔城市被粉末填充，零件所占体积分数越大，每一炉次粉末的利用率就越高。。。有两种较为常见的增材制作成本模型[36]，一种由 Hopkinson等 提 出，另 一 种 由 Ruffo 等 提 出。。。Hopkinson 模型如果在 1 年内设备只出产一种零件，使用最大的成形腔体积，并且设备工作 90% 的功夫。。。单个零件的成本 = 整年总成本 / 零件年产量，其中总成本蕴含了设备成本（8 年折旧）
、、、劳动力成本
、、、资料成本。。。

Ruffo 模型思考了每炉次零件所占成形腔的体积比等更具体的成分，因而更靠近于现实成本。。。在这个模型中，单个零件的成本 = 单个炉次的成本 /单个炉次中零件的数量，其中单个炉次的成本蕴含了资料成本
、、、设备工时费
、、、劳动力成本
、、、治理成本
、、、厂房折旧费等。。。若是单个炉次内含有分歧尺寸的零件，单个零件成本 = 此零件所占成形腔体积分数 × 单个炉次的成本。。。

选择最相宜的制作步骤是降低航空零件成本的关键。。。增材制作合用于多种类
、、、小批量
、、、复杂状态零件的出产，这其中蕴含了研制阶段不休迭代优化中的零件。。。由于不必要模具，增材制作钛合金零件的成本相比铸造和铸造步骤显著降落，别的，出产周期也大幅度缩短。。。这些成分都使增材制作成为精益出产的有效工具。。。然而，当产品的批量增长时，增材制作的成本优势逐步降落。。。Atzeni等[37] 比力了选取压力铸造步骤与激光选区溶解步骤制作起落架零件的成本，当批量大于 42 件时，压力铸造的成本变得比激光选区溶解更低。。。

除了批量以外，零件的复杂水平也是影响增材制作成本的关键成分。。。由于钛合金资料成本高，加工难度大，提高零件的资料利用率可大幅降低零件的制作成本。。。Allen[38] 比力了选取增材制作法与锻件机械加工法制作飞机发起机某钛合金零件的成本，发现当资料利用率小于 8.3%（buy-to-fly ratio 12∶1）时，增材制作拥有成本优势。。。另一个例子是 F-35 Ti-6Al-4V 合金空气泄漏检测支架，如选取锻件机加工的步骤，其资料利用率仅有 3.3%，零件成本为 1000 美元/ 磅；；；而 EBM 支架的资料利用率靠近 100%，零件成本降落 50% [16]。。；；；谥苯幽芰砍粱募す馊鄯
、、、电子束熔丝
、、、电弧熔丝等步骤还可进行零件的修复与再制作。。。据统计，选取这些步骤修复破损的钛合金框
、、、梁
、、、叶片
、、、机匣
、、、起落架比更换新零件的成本降低 20%~40%。。。此外，选取直接能量沉积技术修复传统步骤制备过程中的残次品件也是目前钻研的热点，这会对航空钛合金产业链产生深远的影响。。。

设备的不变性也与成本有关。。。

在增材制作设备的工作过程中，成形失败时有产生，这可能是由于硬件
、、、操作
、、、零件（支持）设计等原因造成的。。。对于粉末床溶解技术来说，这意味着必须算帐设备后重新制作零件，造成大量成本和功夫的浪费。。。增材制作设备厂商与用户该当共同探求提高成功率的规划，以及怎么预防报答操作失误。。。此外，成立靠得住模型进行成形过程的数值仿照也可援手用户确定最佳的零件搁置方向以及支持设计规划，提高成功率。。。

随着增材制作产业的规；；；约案骼嘧ɡ墓，设备价值（通常为 50~100 万美元）以及粉末
、、、丝材的价值会逐步降落，会有更多的设备制作商与原资料供给商进入市场，形 成一个良性循环。。。除了选取球形粉末以外，近年来已有选取低成本的非球形粉末（如氢化 - 脱氢粉末
、、、海绵钛等）实现增材制作的实例[39]。。。别的，零件的制作成本也会随着技术的进取而降落，增长设备热源数量或提高热源功率可在单元功夫内溶解更多的资料，提高零件的制作效能。。。

五
、、、结论

增材制作技术在从前的 10 年里获得了飞速发展，将来必将成为航空钛合金结构的重要制作步骤之一。。。直接能量沉积技术将在大型零件研制阶段持续阐扬“急剧原型制作”的 重要作用，并在修复领域大有作为；；；粉末床溶解技术颠覆了零件设计与制作的传统理念，将“为了制作而设计”转变为“为了职能而设计”，引领复杂精密零件的研制与出产。。。

然而，基础钻研的相对滞后故障了增材制作在航空领域的进一步发展。。。这些基础钻研既蕴含物理
、、、化学
、、、冶金等科学问题，也蕴含缺点
、、、变形
、、、开裂等工程问题。。。在高温度梯度
、、、超快冷速前提下，逐层堆积的工艺形成了随机的缺点和特殊的组织，零件分歧部位的机能尚有差距。。。目前还难以正确表征和仿照增材制作过程，这给零件的认证造成了难题，而资料基因组工程将会是成分—工艺—组织—机能建模的一个突破点。。。别的，细小缺点（≤ 0.8mm）的无损检测以及成立基于缺点尺寸
、、、数量
、、、散布对动态力学机能影响的设计准则是增材制作钛合金在飞机与发起机关键承力结构中利用的前提。。。

瞻望增材制作技术的将来，机缘与挑战并存。。。随着技术的成熟与成本的降落，以及与结构优化设计的深度融合，钛合金增材制作必将迎来越发辽阔的发展空间。。。

参 考 文 献

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通 讯 作 者：：：陈 玮，E-mail ：：：werner_nju@163.com。。。