激光增材制造高性能大型鈦合金構(gòu)件凝固晶粒形態(tài)及顯微組織控制研究進(jìn)展

王華明,張述泉,王 韜,朱言言

(北京航空航天大學(xué)大型金屬構(gòu)件增材制造技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室， 北京 100191)

鈦合金具有密度低、強(qiáng)度高、耐腐蝕等突出優(yōu)點(diǎn)，在航空、航天、化工、海洋工程等現(xiàn)代工業(yè)及國(guó)防重大裝備中，被廣泛用作各種大型整體關(guān)鍵承力構(gòu)件，其用量的大小已成為衡量航空航天等裝備技術(shù)先進(jìn)性的重要標(biāo)志之一。采用傳統(tǒng)制造技術(shù)制造上述大型整體鈦合金構(gòu)件，需要數(shù)萬(wàn)噸級(jí)以上大型鍛造工業(yè)裝備及大型模具，制造技術(shù)難度大、材料利用率低、制造周期長(zhǎng)、成本高，因此大型關(guān)鍵鈦合金構(gòu)件制造技術(shù)已被公認(rèn)為飛機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等重大裝備制造的核心關(guān)鍵制造技術(shù)之一[1-2]。

高性能金屬構(gòu)件激光增材制造(俗稱3D打印)技術(shù)，采用高功率激光對(duì)金屬粉末/絲材進(jìn)行逐層熔化/凝固堆積，直接從零件數(shù)模完成全致密、高性能大型整體金屬構(gòu)件的近凈成形制造，是一種將“高性能材料制備”與復(fù)雜金屬零件近凈成形有機(jī)融為一體的數(shù)字化、綠色、變革性先進(jìn)制造新技術(shù)。與鍛壓+機(jī)械加工、鍛造+焊接等傳統(tǒng)大型金屬構(gòu)件制造技術(shù)相比，具有以下突出優(yōu)勢(shì)：1)激光原位冶金/快速凝固“高性能金屬材料制備”與“大型、復(fù)雜構(gòu)件近凈成形制造”一體化，制造流程短；2)零件具有晶粒細(xì)小、成分均勻、組織致密的快速凝固非平衡組織，綜合力學(xué)性能優(yōu)異；3)無(wú)需大型鍛鑄工業(yè)裝備及配套基礎(chǔ)設(shè)施，無(wú)需鍛坯制備和鍛造模具制造，后續(xù)機(jī)械加工余量小、材料利用率高、周期短、成本低；4)具有高度的柔性和對(duì)構(gòu)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變化的“超常快速”響應(yīng)能力，同時(shí)也使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不再受制造技術(shù)的制約；5)激光束能量密度高，可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)包括W、Mo、Nb、Ta、Ti、Zr等在內(nèi)的各種難熔、難加工、高活性高性能金屬材料的激光冶金快速凝固材料制備和復(fù)雜零件的直接近凈成形；6)可根據(jù)零件的工作條件和服役性能要求，通過(guò)靈活改變局部激光熔化沉積材料的化學(xué)成分和顯微組織，實(shí)現(xiàn)多材料、梯度材料等高性能金屬材料構(gòu)件的直接近凈成形等[3-6]。大型金屬零件激光增材制造工藝流程如圖1所示。

圖1 大型金屬零件激光增材制造工藝流程

由于其上述突出優(yōu)勢(shì)，激光增材制造技術(shù)尤其適合于重大裝備中鈦合金等高性能、難加工、大型復(fù)雜關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的短周期、低成本制造，代表著重大裝備大型關(guān)鍵金屬構(gòu)件先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展方向，近20年來(lái)成為國(guó)際材料加工工程與先進(jìn)制造技術(shù)學(xué)科交叉領(lǐng)域的前沿研究熱點(diǎn)方向之一。經(jīng)20余年研究，北京航空航天大學(xué)大型金屬構(gòu)件增材制造國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室在國(guó)際上率先突破了飛機(jī)鈦合金等大型關(guān)鍵主承力構(gòu)件激光增材制造工藝、成套裝備、內(nèi)部質(zhì)量和力學(xué)性能控制及工程應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)。自2005年以來(lái)，激光增材制造鈦合金飛機(jī)機(jī)身主承力框、翼身根肋、起落架等大型整體關(guān)鍵承力構(gòu)件，在大型運(yùn)輸機(jī)、運(yùn)載火箭等航空航天重大裝備研制和生產(chǎn)中得到應(yīng)用。本文簡(jiǎn)要報(bào)道本團(tuán)隊(duì)在激光增材制造高性能鈦合金大型關(guān)鍵構(gòu)件凝固晶粒形態(tài)和熱處理顯微組織控制等方面的主要研究進(jìn)展。

1 激光增材制造大型鈦合金構(gòu)件凝固晶粒形態(tài)控制

大型鈦合金構(gòu)件激光逐層熔化/逐層沉積增材制造過(guò)程中，移動(dòng)熔池超高溫鈦合金熔體在溫度梯度和快冷卻速極高的條件下快速非平衡凝固，其凝固熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)過(guò)程非常復(fù)雜。揭示增材制造過(guò)程中移動(dòng)熔池形核生長(zhǎng)機(jī)制，是實(shí)現(xiàn)激光增材制造大型鈦合金構(gòu)件凝固晶粒形態(tài)主動(dòng)控制的基礎(chǔ)[3, 7-9]。長(zhǎng)期研究發(fā)現(xiàn)，鈦合金激光增材制造過(guò)程中移動(dòng)熔池凝固存在池底外延生長(zhǎng)和熔池表面異質(zhì)形核兩種主導(dǎo)凝固方式，如圖2所示。

圖2 激光增材制造過(guò)程中移動(dòng)熔池池底外延生長(zhǎng)

金屬構(gòu)件激光逐層熔化沉積過(guò)程中，通過(guò)對(duì)熔池凝固兩種主要方式的主動(dòng)控制即可實(shí)現(xiàn)對(duì)增材制造金屬構(gòu)件凝固晶粒形態(tài)和力學(xué)性能的主動(dòng)控制[7]。在逐層熔化沉積激光增材制造過(guò)程中，有效提高熔池局部凝固溫度梯度，有效促進(jìn)池底晶體的外延生長(zhǎng)、抑制熔池表面的異質(zhì)形核并加大重熔層深度(徹底熔化消除前一沉積層表面等軸晶)，即可使構(gòu)件獲得全柱狀晶組織，如圖3所示。這種定向生長(zhǎng)全柱狀晶組織具有優(yōu)異的高溫持久蠕變性能[3]。

在逐層熔化沉積激光增材制造過(guò)程中，有效降低熔池局部凝固溫度梯度，充分促進(jìn)熔池表面異質(zhì)形核、減小對(duì)前一沉積層表面等軸晶的重熔，最大程度抑制池底晶體的外延生長(zhǎng)，則可獲得各向同性力學(xué)性能優(yōu)異的等軸晶凝固組織，如圖4所示。

圖3 鈦合金構(gòu)件激光逐層熔化沉積增材制造過(guò)程柱狀晶凝固形成機(jī)制及其組織照片[7]

圖4 鈦合金構(gòu)件激光逐層熔化沉積增材制造過(guò)程等軸晶凝固形成機(jī)制及其組織照片[7]

在逐層熔化沉積激光增材制造過(guò)程中，在較寬范圍內(nèi)控制熔池凝固條件，讓池底晶體外延生長(zhǎng)和熔池表面異質(zhì)形核都平衡發(fā)展，則可穩(wěn)定獲得極其獨(dú)特、由搭接區(qū)定向生長(zhǎng)柱狀晶組織(“鋼筋”)和非搭接區(qū)近等軸晶組織(“混凝土”)交替排列組成的“鋼筋混凝土狀”混合凝固晶粒組織，如圖5所示。這種迄今未見(jiàn)報(bào)道、傳統(tǒng)冶金制備技術(shù)無(wú)法制備的凝固晶粒組織形態(tài)極其獨(dú)特，可望具有獨(dú)特的性能。

基于上述金屬構(gòu)件激光增材制造過(guò)程凝固晶粒形態(tài)主動(dòng)控制理論，本團(tuán)隊(duì)建立了激光增材制造大型金屬構(gòu)件凝固晶粒形態(tài)主動(dòng)控制方法[3,7]，實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金整體葉盤(pán)等具有梯度組織和梯度性能的大型關(guān)鍵主承力構(gòu)件的激光增材制造，如圖6所示。

圖5 鈦合金構(gòu)件激光逐層熔化沉積增材制造過(guò)程柱狀晶-等軸晶混合晶粒組織凝固形成機(jī)制及其組織照片[7]

圖6 激光增材制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)梯度性能鈦合金整體葉盤(pán)

2 激光增材制造大型鈦合金構(gòu)件熱處理顯微組織控制

逐層熔化沉積激光增材制造過(guò)程中，已沉積材料都將經(jīng)歷多劇烈加熱和冷卻的短時(shí)循環(huán)非平衡固態(tài)相變過(guò)程[5, 8-16]， 致使激光增材制造鈦合金構(gòu)件獲得傳統(tǒng)成形制造技術(shù)無(wú)法獲得的超細(xì)均勻特殊網(wǎng)籃狀顯微組織，如圖7所示，該組織具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能[3]。

本團(tuán)隊(duì)對(duì)激光增材制造雙相鈦合金特殊超細(xì)網(wǎng)籃組織的后續(xù)熱處理固態(tài)相變進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)激光增材制造雙相鈦合金經(jīng)控制冷卻的亞臨界退火，可穩(wěn)定獲得由根須狀初生α相和細(xì)片層狀β轉(zhuǎn)變組織組成的特種雙態(tài)顯微組織新形態(tài)(如圖8所示)，并建立了形成該特殊新形態(tài)組織的固態(tài)相變熱力學(xué)條件、動(dòng)力學(xué)條件及熱處理工藝。

圖7 激光增材制造雙相鈦合金構(gòu)件超細(xì)

激光增材制造雙相鈦合金構(gòu)件，經(jīng)后續(xù)特殊熱處理后獲得的上述特種雙態(tài)顯微組織，由于其“α/β比界面積”極高，其塑性變形抗力尤其是抵抗裂紋

圖8 激光增材制造雙相鈦合金特種雙態(tài)組織[12,15,17-19]

擴(kuò)展能力極其優(yōu)異，在保持優(yōu)異靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、沖擊韌性、斷裂韌性及高溫蠕變等綜合力學(xué)性能條件下，具有異常優(yōu)異的損傷容限性能。例如，具有上述特種雙態(tài)顯微組織的激光增材制造TA15鈦合金，與傳統(tǒng)鍛造鈦合金相比，其疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值大幅提高(如疲勞裂紋擴(kuò)展速率在4×10-5mm/周條件下，其裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子，由鍛件傳統(tǒng)雙態(tài)組織的約13 MPa·m0.5提高到激光增材制造特種雙態(tài)組織的21 MPa·m0.5)，而疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dN降低一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，如圖9所示。

圖9 TA15鈦合金“傳統(tǒng)鍛造雙態(tài)組織”和“激光增材制造特種雙態(tài)組織”的疲勞裂紋擴(kuò)展速率和損傷容限性能對(duì)比[3]

這不僅有效地解決了損傷容限性能低、鈦合金疲勞裂紋速率高的固有難題，而且開(kāi)拓出一條通過(guò)簡(jiǎn)單控制熱處理固態(tài)相變特種顯微組織，發(fā)展高強(qiáng)度高損傷容限新型鈦合金的新途徑。

3 結(jié)束語(yǔ)

高性能大型金屬構(gòu)件激光逐層熔化沉積快速凝固增材制造技術(shù)，是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ母咝阅?、短流程、低成本、“控?控性”一體化、綠色、變革性、數(shù)字制造技術(shù)，為航空、航天、核電、海洋工程等重大高端裝備中高性能難加工大型復(fù)雜整體關(guān)鍵構(gòu)件的低成本、短周期快速制造提供了一條新途徑。

校友作者介紹

王華明(1962—),男，四川省瀘州市合江縣人,金屬增材制造專家。1983年本科畢業(yè)于四川工業(yè)學(xué)院(現(xiàn)西華大學(xué))鑄造專業(yè)，1986年碩士畢業(yè)于西安交通大學(xué)鑄造專業(yè)，1989年博士畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京研究生部)礦山機(jī)械工程化專業(yè)，1992年在中國(guó)科學(xué)院金屬研究所高溫合金研究室完成博士后研究?，F(xiàn)任北京航空航天大學(xué)教授、大型金屬構(gòu)件增材制造國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室主任、國(guó)防科技工業(yè)激光增材制造技術(shù)研究應(yīng)用中心主任。

長(zhǎng)期從事重大裝備大型關(guān)鍵金屬構(gòu)件增材制造技術(shù)和關(guān)鍵摩擦副激光表面工程技術(shù)研究。突破鈦合金、超高強(qiáng)度鋼等高性能難加工金屬大型復(fù)雜關(guān)鍵構(gòu)件激光增材制造工藝、成套裝備和工程應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，開(kāi)拓機(jī)械裝備嚴(yán)酷環(huán)境關(guān)鍵摩擦副零部件激光熔覆多元金屬硅化物高溫耐蝕耐磨特種涂層新領(lǐng)域，成果在飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等裝備研制和生產(chǎn)中工程應(yīng)用。發(fā)表SCI收錄論文200余篇，獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)、全國(guó)五一勞動(dòng)獎(jiǎng)?wù)?、航空?qǐng)?bào)國(guó)金獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、國(guó)防科技工業(yè)杰出人才獎(jiǎng)等獎(jiǎng)勵(lì)和榮譽(yù)。2015年當(dāng)選中國(guó)工程院機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)部院士。