激光增材制造毛坯與傳統(tǒng)鍛件鑄件差異性分析

（中航通飛研究院有限公司，珠海 519040）

激光增材制造或稱3D打印技術(shù)，是基于微積分的思想，采用激光分層掃描、疊加成形的方式逐層增加材料將數(shù)字模型轉(zhuǎn)換成三維實體零件。相對于傳統(tǒng)的材料去除技術(shù)，是一種“自下而上”材料累加的制造方法。作為一門新興技術(shù)，激光增材制造在材料、工藝以及加工制造等方面有別于傳統(tǒng)制造。傳統(tǒng)鍛造是一種利用鍛壓機(jī)械對金屬坯料施加壓力，使其產(chǎn)生塑性變形以獲得具有一定機(jī)械性能、一定形狀和尺寸鍛件的加工方法。鑄造是指將固態(tài)金屬熔化為液態(tài)倒入特定形狀的鑄型，待其凝固成形的加工方法。

激光增材制造涉及激光、機(jī)械、數(shù)控、材料等多方面的多學(xué)科交叉新技術(shù)，且發(fā)展時間很短，相對于鑄、鍛、焊、粉末冶金以及機(jī)械加工等傳統(tǒng)的制造技術(shù)而言，其技術(shù)成熟度還有顯著差異；高性能金屬材料增材制造技術(shù)僅在為數(shù)不多的軍機(jī)型號上應(yīng)用，“鶻鷹”戰(zhàn)機(jī)“眼鏡式”鈦合金主承力構(gòu)件加強(qiáng)框通過了裝機(jī)評審，使我國成為目前世界上唯一掌握飛機(jī)鈦合金大型主承力結(jié)構(gòu)件激光快速成形技術(shù)并實現(xiàn)裝機(jī)應(yīng)用的國家。此外，F(xiàn)/A-18飛機(jī)也用到了激光直接沉積Ti6Al4V鈦合金次承力構(gòu)件。對于民機(jī)而言，高性能金屬材料增材制造主要用于非承力結(jié)構(gòu)件，如羅-羅公司用3D打印制造的鈦合金翼型用在最新超強(qiáng)力空客發(fā)動機(jī)——遄達(dá)寬體飛機(jī)-97（Trent XWB-97），總地來說，高性能金屬材料增材制造的結(jié)構(gòu)零件數(shù)量少，使用經(jīng)驗欠豐富，需要系統(tǒng)、深入地開展材料、工藝的基礎(chǔ)研究與工程化應(yīng)用研究。

本文分析了應(yīng)用比較廣泛的Ti6Al4V鈦合金采用激光增材制造毛坯與傳統(tǒng)鍛造、鑄造毛坯差異在成形工藝、顯微組織、缺陷及其形成原因、內(nèi)部質(zhì)量和力學(xué)性能等方面的差異性，以確定激光增材制造毛坯與傳統(tǒng)鍛件、鑄件的差異性。

1 成形工藝

1.1 激光增材制造

激光增材制造的形成過程：高功率激光束在基體上聚焦形成熔池，金屬粉末同時被同軸送粉器送入熔池中。金屬粉末在熔池中與基體熔液融合，并隨著激光束的移動，在液體表面張力的作用下熔池開始向著激光束移動方向運(yùn)動，前面的熔液固化形成沉積層，激光束移動的軌跡便是沉積層的形成軌跡。

與鍛造等傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，激光增材制造具有以下突出優(yōu)點：

（1）不需要鑄錠熔鑄、零件毛坯制備和鍛壓模具加工，也不需要大型或超大型鍛鑄工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施及其相關(guān)配套設(shè)施；

（2）零件的機(jī)械加工余量很小、數(shù)控機(jī)械加工時間短、材料利用率高；

（3）零件的生產(chǎn)制造成本低、周期短；工藝簡單、工序少、柔性高、相應(yīng)快；

（4）可制造出傳統(tǒng)工藝方法難以加工，甚至無法加工的結(jié)構(gòu)。

1.2 鍛造

鈦及鈦合金冷變形困難，因此，通常需要經(jīng)過熱加工方法變形成各種坯料和鍛件。鍛造不僅可以達(dá)到尺寸及形狀與產(chǎn)品接近，還能改善鈦合金組織，從而提高其性能。鈦合金的鍛造原則上分為α+β鍛造和β鍛造。

1.3 鑄造

作為近凈成形技術(shù)之一，鑄造技術(shù)可以一次性成形形狀復(fù)雜的產(chǎn)品，且能提高材料利用率并降低成本。另外鑄件不需要進(jìn)行后續(xù)加工。由于鈦及鈦合金化學(xué)性能非常活潑，在高溫下極易被氧化，因此，對鈦合金進(jìn)行鑄造需要采用特種熔煉技術(shù)和設(shè)備，以防被污染。

2 顯微組織

材料的顯微組織在很大程度上決定了其性能。Ti6Al4V鈦合金最常見的4種顯微組織為片層組織（或稱魏氏組織）、網(wǎng)籃組織、雙態(tài)組織以及等軸組織。

激光增材成形的Ti6Al4V鈦合金具有網(wǎng)籃結(jié)構(gòu)，顯微組織是片狀α相加晶間β相，晶粒沿平行于熔覆層高度方向生長，形成軸向為平行于熔覆層高度方向的柱狀晶粒，板條狀α和β隨著激光功率的增加和掃描速度的降低而增多。激光增材屬于快速凝固過程，其組織要較鍛造、鑄造更為細(xì)小。

表1中列出了3種成形工藝Ti6Al4V鈦合金的組織。結(jié)合表2分析可得，激光增材制造Ti6Al4V鈦合金與鍛造相比，拉伸強(qiáng)度較高而塑性較低。

3 缺陷及其形成原因

3.1 激光增材制造缺陷

表1 激光增材制造與鍛造、鑄造Ti6Al4V鈦合金的顯微組織

表2 鈦合金典型組織性能比較

AMS4999A激光增材制造規(guī)范中規(guī)定成形件內(nèi)部存在的缺陷有氣孔、熔合不良和開裂[1]。氣孔形貌呈規(guī)則球形或類球形，分布具有隨機(jī)性；熔合不良缺陷形貌不規(guī)則，多分布在熔覆層間或道間。

3.2 鍛造鈦合金缺陷

鈦合金中常見的鍛造缺陷主要有組織過熱及不均、裂紋、夾雜物等。

3.3 鑄造鈦合金的缺陷

AMS4991鑄造規(guī)范中規(guī)定的鑄造鈦合金內(nèi)部缺陷主要有氣孔、縮松以及外來夾雜[2]。3種成形工藝缺陷產(chǎn)生的原因見表3。

3.4 缺陷等級要求

激光增材制造是一種新的成形技術(shù)，其成形毛坯缺陷較復(fù)雜，對該成形工藝也提出了更高的要求，需采用超聲波和射線兩種檢測方法；鍛造缺陷檢測的方法是超聲波；鑄造缺陷檢測的方法是射線。本文分別對比了AMS 4999A激光增材制造規(guī)范、AMS 4928R[3]鍛造規(guī)范、AMS 4991鑄造規(guī)范、AMS 2631[4]鈦合金超聲波檢驗以及國外起落架專用規(guī)范MTL-3103[5]中激光增材與鍛造和鑄造內(nèi)部質(zhì)量允許級別，見表4和表5。對比發(fā)現(xiàn)，激光增材制造氣孔能達(dá)到的最高級別是A1，稍低于鍛造的最高級別AA級；與鑄造相比，激光增材制造氣孔的質(zhì)量級別能達(dá)到鑄造的B級[4-5]。

通過分析幾種航空常用鍛件的超聲波檢測和設(shè)計要求，如表6所示，可以看出鈦合金鍛件能達(dá)到AA級別，其他幾種航空常用鍛件規(guī)范對其超聲檢測質(zhì)量級別沒有相關(guān)規(guī)定。AMS 4999A中規(guī)定的增材制造Ti-6Al-4V超聲檢測最高級別是A1，稍低于鍛件的AA級。由此可知，鍛造的最高級別是AA級，優(yōu)于增材制造的A1級別。

表3 激光增材與傳統(tǒng)成形工藝缺陷成因?qū)Ρ?/p>

表4 激光增材制造與鍛造Ti6Al4V合金超聲波檢驗內(nèi)部質(zhì)量允許級別

4 力學(xué)性能

4.1 激光增材制造鈦合金的力學(xué)性能

激光增材制造鈦合金沉積態(tài)性能呈現(xiàn)各向異性，沿沉積方向強(qiáng)度低而延伸性好，垂直于沉積方向正好相反，其制成品經(jīng)過退火及固溶、時效強(qiáng)化等熱處理后，性能差異基本消失。與鍛件相比，激光增材制造毛坯力學(xué)性能及疲勞壽命等接近或超過鍛件性能。其組織與鑄造組織相似，但其晶粒要細(xì)小，特別是α相晶粒細(xì)小。因此，其力學(xué)性能要高于鑄造鈦合金的力學(xué)性能。

4.2 鍛造鈦合金的力學(xué)性能

國內(nèi)研究表明，Ti6Al4V合金鍛造溫度為955～1024℃，壓縮量為50%時，其延伸率至少可保證13%，斷面收縮率至少可保證25%。

4.3 鑄造鈦合金的力學(xué)性能

鈦鑄件的典型組織是晶粒粗大的β轉(zhuǎn)變組織，由于晶粒粗大，鑄件的塑性和抗拉強(qiáng)度較差。鑄造合金和鍛造合金相比，具有斷裂韌性好、持久強(qiáng)度高、蠕變性能好等優(yōu)點。鑄造條件下的性能和β退火的鍛造合金相似。

基于AMS 4999A增材制造規(guī)范、AMS 4928R鍛造規(guī)范和AMS 4991鑄造規(guī)范，分別對比了3種成形工藝毛坯的力學(xué)性能，如表7所示。對比可以發(fā)現(xiàn)增材制造毛坯性能具有方向性，縱橫向屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度分別比鍛造和鑄造低3.4%和0.78%。由此可見，增材制造毛坯力學(xué)性能雖低于鍛造和鑄造，但差異較小。

表5 增材制造與鑄造Ti-6Al-4V射線檢驗內(nèi)部缺陷允許級別mm

表6 幾種航空常用鍛件材料的超聲檢測要求與設(shè)計要求對比

表7 激光增材與傳統(tǒng)制造Ti6Al4V合金力學(xué)性能對比

5 結(jié)論

本文分析了應(yīng)用比較廣泛的Ti6Al4V鈦合金采用激光增材制造毛坯與傳統(tǒng)鍛件、鑄件在成形工藝、顯微組織、缺陷及其形成原因、內(nèi)部質(zhì)量和力學(xué)性能等方面的差異性。得到以下結(jié)論：

（1）激光增材制造生產(chǎn)準(zhǔn)備周期較傳統(tǒng)工藝大幅縮短，整體制造周期短，材料利用率大幅度提高，尤其適合高性能、低成本、難加工、大型復(fù)雜金屬構(gòu)件的短周期快速制造。

（2）激光增材制造毛坯既有傳統(tǒng)鍛件的缺陷也有鑄件的缺陷，需采用超聲波和射線兩種檢測方法。國外起落架專用規(guī)范規(guī)定的鈦合金鍛件的最高級別是AA級，優(yōu)于激光增材制造的A1級別，激光增材制造氣孔的級別能達(dá)到鑄件的B級。

（3）激光增材制造鈦合金毛坯縱橫向屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度分別比鍛造和鑄造低3.4%和0.78%，差異較小。

[1]AMS 4999A-2011 Titanium alloy direct deposited products 6Al-4V annealed[S].

[2]Anneal Optional AMS4991E-2014 Titanium alloy castings,investment 6Al - 4V hot isostatic pressed[S].

[3]AMS4928R-2007 Titanium alloy bars, wire, forgings, rings, and drawn shapes 6Al-4V annealed[S].

[4]AMS2631C-2009 Ultrasonic inspection titanium and titanium alloy bar and billet[S].

[5]MTL-3103 5Al-5V-5Mo-3Cr titanium alloy[S].

[6]GJB 2744A-2007 航空用鈦及鈦合金鍛件規(guī)范[S].GJB 2744A-2007 Specification for titanium and titanium alloy forging and die forging for aerospace[S].

[7]GB/T 5193 鈦和鈦合金加工產(chǎn)品超聲波探傷方法[S].GB/T 5193 Method of ultrasonic inspection for wrought titanium and titanium alloy products[S].

[8]AMS 5659 Steel Corrosion-resistant, bars, wire, forgings, rings,and extrusions 15Cr-4.5Ni-0.30Cb (Nb)-3.5Cu con-sumable remelted,precipitation hardenable[S].

[9]AMS 6414 Steel Bars, forgings, and tubing 0.80Cr-1.8Ni-0.25Mo(0.38-0.43C)(SAE 4340) Vacuum consumable elec-trode remelted[S].

[10]AMS 5629 Steel Corrosion-resistant, bars, wire, forgings,rings, and extrusions 13Cr-8.0Ni-2.2Mo-1.1al vacuum in-duction plus consumable electrode melted solution heat treated, precipitation hardenable[S].

[11]AMS 6532E-2011 Steel Bars and forgings3.1Cr -11.5Ni-13.5Co-1.2Mo (0.21-0.25C) vacuum melted, normalized and over-aged precipitation hardenable[S].

[12]AMS 6419F-2006 Steel, bars, forgings, and tubing1.6Si-0.82Cr-1.8Ni-0.40Mo-0.08V (0.40-0.45C) consumable elec-trode vacuum remelted[S].

[13]AMS 6417F-2006 Steel Bars, forgings, and tubing1.6Si-0.82Cr-1.8Ni-0.40Mo-0.08V (0.38-0.43C) consumable electrode vacuum remelted[S].