TC4鈦合金激光選區(qū)熔化制件與傳統(tǒng)鍛鑄件的對(duì)比

張婷 陳素明 劉煥文

摘? 要：本文通過(guò)探討激光選區(qū)熔化的成形原理及應(yīng)用現(xiàn)狀，從TC4成形工藝、成形組織、力學(xué)性能、質(zhì)量等級(jí)等方面，將激光選區(qū)熔化TC4制件與傳統(tǒng)鍛鑄件間的區(qū)別進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析。結(jié)果表明，相較于傳統(tǒng)鍛件、鑄件而言，激光選區(qū)熔化制件材料利用率更高，制造周期更短;靜態(tài)力學(xué)性能高于鈦合金鑄件性能，達(dá)到甚至超過(guò)鍛件性能;激光選區(qū)熔化制件質(zhì)量級(jí)別處于中等，比鍛件質(zhì)量級(jí)別低，但高于鑄件質(zhì)量級(jí)別。

關(guān)鍵詞：激光選區(qū)熔化? 鍛件? 鑄件? 對(duì)比

中圖分類號(hào)：AAa? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098x（2020）12（c）-0091-03

Abstract： By discussing the forming principle and application status of laser selective melting， the difference between laser selective melting TC4 parts and traditional forging castings is briefly analyzed from the aspects of TC4 forming process， forming structure， mechanical properties and quality grade. The results show that， compared with traditional forgings and castings， the material utilization rate of laser selective melting parts is higher and the manufacturing cycle is shorter; the static mechanical properties are higher than the performance of titanium alloy castings， reaching or even exceeding the performance of forging parts; laser selective melting parts The quality level is medium， lower than the forging quality level， but higher than the casting quality level.

Key Words： Laser selective melting; Forgings; Castings; Comparison

增材制造俗稱3D打印，其是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，將材料加工與成型技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行融合應(yīng)用的技術(shù)。3D 打印原材料分為粉末、線材、液體等;根據(jù)加工中使用的能量分為激光、電子束、等電子弧等，而激光增材制造技術(shù)是整個(gè)增材制造體系中最主要的技術(shù)，也是現(xiàn)代化制件制造技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。

傳統(tǒng)的金屬零件制造方式經(jīng)歷了等材制造、減材制造、增材制造三個(gè)階段。等材制造，是指通過(guò)鑄、鍛、焊等方式生產(chǎn)制造產(chǎn)品，材料重量基本不變。減材制造，是指使用車、銑、刨、磨等設(shè)備對(duì)材料進(jìn)行切削加工，以達(dá)到設(shè)計(jì)形狀。增材制造，是一種“自上而下”通過(guò)材料累加的制造方法，使得過(guò)去受到傳統(tǒng)制造方式的約束，而無(wú)法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件制造變?yōu)榭赡??；诖?，為?shí)現(xiàn)激光增材制造制件技術(shù)的有效應(yīng)用，對(duì)激光增材制造制件技術(shù)與傳統(tǒng)鍛件、鑄件間的區(qū)別進(jìn)行適當(dāng)分析具有非常重要的意義。

1? 激光選區(qū)熔化原理

依據(jù)美國(guó)試驗(yàn)材料學(xué)會(huì)ASTM定義，可知激光增材制造技術(shù)主要是利用計(jì)算機(jī)繪圖軟件（如CATIA 等）繪制所需零件和試樣的三維模型圖，然后通過(guò)專用軟件對(duì)零件和試樣的三維實(shí)體模型進(jìn)行Z向切片離散并規(guī)劃激光束掃描路徑，從而獲得各個(gè)截面的輪廓數(shù)據(jù)，然后將得到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到3D 打印設(shè)備中，設(shè)備將按照這些輪廓數(shù)據(jù)，通過(guò)控制激光束有選擇性地熔化各層金屬粉末，使得金屬粉末相互粘接并達(dá)到冶金結(jié)合，隨后層層堆積最終制得三維金屬零件和試樣。而激光選區(qū)熔化成形技術(shù)（Select Laser Melting，SLM）是激光增材制造中最主要的一類，其可以直接進(jìn)行傳統(tǒng)制造無(wú)法加工的空間曲面多孔結(jié)構(gòu)、輕質(zhì)點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)、復(fù)雜型腔流道結(jié)構(gòu)等復(fù)雜金屬零件的加工，具有較好的表面粗糙度、尺寸精度，，現(xiàn)階段適用于激光選區(qū)熔化成形的材料主要為鈦合金、鋁合金、鐵基合金、鎳基合金等，其成形原理見(jiàn)圖1。

2? 激光選區(qū)熔化應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來(lái)，全球3D 打印產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，由于增材制造在原材料利用率、制造自由度、零件輕量化、部件集成化等方面存在明顯的優(yōu)勢(shì)，金屬直接能量沉積和粉末床激光選區(qū)熔化3D 打印技術(shù)在航空航天領(lǐng)域率先取得應(yīng)用[1]，其中最為經(jīng)典的案例是GE（美國(guó)通用電氣公司）著名的LEAP（ 歐洲空客發(fā)動(dòng)機(jī)系列）引擎，內(nèi)置3D 打印噴嘴[2]。美國(guó)F/A-18E/F“大黃蜂”戰(zhàn)機(jī)翼根吊環(huán)采用3D 打印技術(shù)生產(chǎn)[3]，其疲勞壽命達(dá)到疲勞壽命譜4 倍要求，且在靜力加載試驗(yàn)中，載荷過(guò)載至225% 時(shí)零件也未被破壞，完全滿足飛機(jī)使用需求; 同時(shí)，由于采用了3D 打印技術(shù)，該零件生產(chǎn)成本降低20%～40%，生產(chǎn)周期縮短80%。F22 戰(zhàn)機(jī)的鈦合金框質(zhì)量為144kg，但其原始鍛件質(zhì)量高達(dá)2980kg，材料利用率僅為4.8%。運(yùn)用3D 打印制造技術(shù)，可以把高性能金屬零件的材料利用率大幅提高，節(jié)約2/3 以上的昂貴材料。英國(guó)已經(jīng)在空客A320 上廣泛使用3D 打印技術(shù)，其中僅一個(gè)活頁(yè)零件就可以為飛機(jī)減重10kg 左右，減輕了飛機(jī)質(zhì)量，節(jié)約了飛機(jī)運(yùn)營(yíng)成本。在國(guó)內(nèi)，金屬3D技術(shù)同樣取得了不少顯著成果。北航進(jìn)行了飛機(jī)大型鈦合金結(jié)構(gòu)件3D 激光快速成形技術(shù)研究，使我國(guó)成為繼美國(guó)之后世界上第二個(gè)掌握大型鈦合金結(jié)構(gòu)件激光快速成形技術(shù)的國(guó)家[3-4];中國(guó)商飛生產(chǎn)的C919 飛機(jī)鈦合金機(jī)翼梁采用3D 打印技術(shù)生產(chǎn)，經(jīng)過(guò)各項(xiàng)嚴(yán)格性能測(cè)試，其力學(xué)性能等優(yōu)于鍛件。

3? 激光增材制造制件與傳統(tǒng)鍛鑄件的對(duì)比

3.1 成形工藝

傳統(tǒng)鍛件工藝過(guò)程主要包括原材料選擇、算料及下料、加熱及變形力計(jì)算、設(shè)備選擇及模具設(shè)計(jì)、潤(rùn)滑方法及潤(rùn)滑劑選擇幾個(gè)模塊。同時(shí)因冷變形難度較大，需要經(jīng)過(guò)熱加工方法促使各種坯料達(dá)到對(duì)應(yīng)尺寸、形狀。以TC4鈦合金為例，其鍛造模式主要為α+β鍛造（在α+β相區(qū)加熱和進(jìn)行的鍛造）、β鍛造（在β相區(qū)加熱和進(jìn)行的鍛造）。

傳統(tǒng)鈦合金鑄造工藝，針對(duì)其化學(xué)性質(zhì)較為活潑、且在高溫下極易氧化的特點(diǎn)，需要采用特種設(shè)備、熔煉工藝，經(jīng)過(guò)配砂及制模、造芯及造型、澆注、打磨加工、檢驗(yàn)等一系列復(fù)雜步驟，保證制件料達(dá)到預(yù)期尺寸形狀。

從成形工藝視角進(jìn)行分析，相對(duì)于傳統(tǒng)鍛造和鑄造的加工手段，激光增材制造制件突出優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)為：（1）復(fù)雜合金結(jié)構(gòu)件周期和成本雙節(jié)約。3D打印技術(shù)將三維加工轉(zhuǎn)化為一系列的二維層片加工，不僅降低了加工難度，而且不需要專用的工裝工具，同時(shí)由于3D打印技術(shù)僅燒結(jié)零件實(shí)體部分，材料利用率可達(dá)90%以上。（2）飛機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念驗(yàn)證、功能驗(yàn)證、工藝性驗(yàn)證。3D打印技術(shù)將CAD模型直接轉(zhuǎn)化為實(shí)物模型，可方便地驗(yàn)證設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)思想和零件結(jié)構(gòu)的合理性以及裝配性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，而不必經(jīng)歷工裝制造、加工等長(zhǎng)周期、高費(fèi)用的多個(gè)環(huán)節(jié)，優(yōu)化了制造工藝過(guò)程，減少了大量返工、返修造成的浪費(fèi)，有利于降低損失。

3.2 成形組織

TC4合金激光選區(qū)熔化制件由于激光熔池的快速熔化和冷卻，其晶體顆粒更加細(xì)小，多為細(xì)小的鑄造組織，且后處理會(huì)改變微結(jié)構(gòu)特征降低或消除缺陷以及殘余應(yīng)力，獲得力學(xué)性能較佳的組織，具有拉伸強(qiáng)度高、拉伸塑性低、沖擊韌性中等、斷裂韌性較高、蠕變抗性較高的特點(diǎn)。

而TC4 鍛造組織應(yīng)為α-β相區(qū)加工產(chǎn)生的組織，在原始晶界上不允許出現(xiàn)連續(xù)的網(wǎng)狀α顯微組織，具有拉伸強(qiáng)度較高、拉伸塑性較低、斷裂韌性高、蠕變抗性高的特點(diǎn);而鑄件為晶體粗大的β轉(zhuǎn)變組織，導(dǎo)致鑄件具有塑性、抗拉伸強(qiáng)度較差的特點(diǎn)。

3.3 力學(xué)性能

從力學(xué)性能視角進(jìn)行分析，激光增材制造制件沉積態(tài)性能呈現(xiàn)出突出的各向異性，沿著沉積方向良好延伸，但隨著延伸長(zhǎng)度的增加材料強(qiáng)度會(huì)有所下降，而垂直于沉積方向的金屬材料強(qiáng)度較高但延伸性能較差。但是在經(jīng)過(guò)固溶、退火、時(shí)效強(qiáng)化等熱處理工序后，沿沉積方向、垂直于沉積方向材料差異會(huì)基本消失。

激光選區(qū)熔化制得的金屬零件是具有完全冶金結(jié)合的實(shí)體，其相對(duì)密度理論上接近100%，且具有快速凝固的組織，成形零件的機(jī)械性能與鍛造工藝所得相當(dāng)。3D 打印TC4 鈦合金樣件性能檢測(cè)參數(shù)和鍛件、鑄件的對(duì)比如表1 所示。從表1可以看出：3D 打印TC4 鈦合金樣件靜態(tài)力學(xué)性能明顯高于鈦合金鑄件性能，達(dá)到甚至超過(guò)鍛件性能。

3.4 質(zhì)量級(jí)別

由于激光選區(qū)熔化為一種新型成形技術(shù)，成形制件缺陷復(fù)雜程度較高[5-6]。制件內(nèi)部存在易存在疏松、氣孔和熔覆層間的不規(guī)則熔合不良等缺陷。一般利用超聲波、射線兩種方法進(jìn)行檢測(cè)。

鍛件常見(jiàn)缺陷為裂紋、折疊、夾雜物、組織過(guò)熱、組織不均等，可以利用超聲波進(jìn)行檢測(cè)。

鑄件內(nèi)部缺陷主要為外來(lái)夾雜、氣孔、縮松等，可以利用射線進(jìn)行檢測(cè)。

由于鍛造毛坯經(jīng)過(guò)反復(fù)鍛打，其組織較為致密，鍛件質(zhì)量級(jí)別最高，激光選區(qū)熔化制件因組織較為細(xì)小，質(zhì)量級(jí)別處于中等，鑄件質(zhì)量級(jí)別最低。

4? 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)對(duì)激光選區(qū)熔化TC4制件、傳統(tǒng)TC4鍛件、鑄件區(qū)別進(jìn)行分析，可知，激光選區(qū)熔化相較于傳統(tǒng)鍛件、鑄件而言：

（1）從成形工藝看，激光選區(qū)熔化可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜合金結(jié)構(gòu)件周期和成本雙節(jié)約，并可應(yīng)用于飛機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念驗(yàn)證、功能驗(yàn)證、工藝性驗(yàn)證，材料利用率更高，制造周期更短，適用于加工難度大、成本較低、性能要求較高的大型復(fù)雜金屬制件。

（2）激光選區(qū)熔化制件性能明顯高于鈦合金鑄件性能，達(dá)到甚至超過(guò)鍛件性能。

（3）鍛件質(zhì)量級(jí)別最高，激光選區(qū)熔化制件質(zhì)量級(jí)別處于中等，鑄件質(zhì)量級(jí)別最低。

基于此，在制件制造加工時(shí)，相關(guān)人員可以根據(jù)制件件性能及加工難度等級(jí)要求，選擇恰當(dāng)?shù)闹圃旒庸ぜ夹g(shù)，保證制件制造加工效益。

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