現(xiàn)代3D打印技術(shù)在航空鈦合金部件中的應(yīng)用

郭昭君，鐘功誠

（1.大楊集團有限責(zé)任公司，遼寧 大連 116600；2.沈陽和世泰通用鈦業(yè)有限公司，遼寧 沈陽 110206）

3D打印是先進制造業(yè)的重要組成部分，近年來該技術(shù)取得了重大突破，世界各國均將該技術(shù)作為振興制造業(yè)的核心技術(shù)而大力扶持。美國政府明確把3D打印制造技術(shù)作為引領(lǐng)世界制造業(yè)發(fā)展新方向的最先進的新技術(shù)之首。英國技術(shù)戰(zhàn)略委員會在“未來的高附加值制造技術(shù)展望”的報告中則把3D打印制造技術(shù)作為提升國家競爭力應(yīng)對未來挑戰(zhàn)亟需發(fā)展的22項先進技術(shù)之一。3D打印本質(zhì)上是一種制備技術(shù)，材料是該技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)和保證，為此世界各國對3D打印材料的研發(fā)十分重視[1]。國外研究的3D打印材料涉及鋁合金、鈦合金、鎳基合金、鋼等，研究主題主要有性能調(diào)控機制及性能可靠性評價、束流品質(zhì)在線測量、熔池溫度模擬仿真、應(yīng)力與變形規(guī)律、熔凝過程主動控制及工藝參數(shù)智能優(yōu)化、無損檢測方法、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、多元合金體系元素蒸發(fā)規(guī)律等諸多方面，形成了較為完整的從基礎(chǔ)理論、應(yīng)用基礎(chǔ)到應(yīng)用研究的技術(shù)體系，并形成了針對金屬直接成形技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)AMS4999。

隨著3D打印技術(shù)的推廣和普及，中國制定了一系列有關(guān)國家增材制造發(fā)展的促進計劃，其中重點將3D打印技術(shù)的相關(guān)研究和利用放在突出地位，為我國3D打印的應(yīng)用指明了前進方向。最近幾年，眾多科研機構(gòu)和重點企業(yè)紛紛建立3D打印實驗室和研究中心，并獲得了可喜的成就。

1 基于現(xiàn)代3D打印技術(shù)的航空鈦合金部件設(shè)計

1.1 確定3D打印參數(shù)

激光頻率和掃描速度對粉末熔合性、成形效果等均緊密相關(guān)，掃描途徑和掃描速度還和成形器件的尺寸大小、造型精度、成品密度有關(guān)系[2]。在激光選擇3D打印設(shè)備出廠以前需要具備一定參數(shù)的工藝包，在完成安裝調(diào)整后，航空企業(yè)有必要聯(lián)系廠家一同對3D打印設(shè)備的參數(shù)進行檢校、審核、調(diào)準(zhǔn)。在批量生產(chǎn)過程中按照研發(fā)周期、生產(chǎn)效率、毛坯合格率以及最終驗收標(biāo)準(zhǔn)等對設(shè)備參數(shù)進行微調(diào)整，設(shè)備有必要定時安排檢驗、校對3D打印設(shè)備的成形尺寸大小、造型精度，設(shè)備監(jiān)管成形室氧氣含量的自我檢查結(jié)果，氧氣含量超過0.08%時有必要及時預(yù)警并停止相應(yīng)工作，否則氧氣含量一旦超標(biāo)就會對航空鈦合金的成形造成致命漏洞、夾空等冶金缺點。通常來說設(shè)備在出廠以前就已經(jīng)按照用戶需求將上述參數(shù)調(diào)整結(jié)束，英國RENISLAT公司AM801型3D打印設(shè)備的參數(shù)完全開放，用戶能夠按照成形合格率、使用材料、成件復(fù)雜度等隨時對設(shè)備所需參數(shù)進行調(diào)改。

1.2 設(shè)計實物3D數(shù)字模型

實物3D模型的設(shè)計需要按照3D打印的藝術(shù)性和零部件的造型復(fù)雜性，來考慮成品毛坯的表現(xiàn)形式、工藝支持設(shè)置以及樣品的擺放位置。樣品的調(diào)試一般會遵循以下原則：

（1）盡可能將部件較大的一面朝下放置。

（2）需要安排傾斜角的零部件，普遍會根據(jù)45°傾斜，以確保支撐添加最小。

（3）對于壁厚在1mm～4mm、高度不超過60mm的薄壁零部件則采取垂直擺放，具備單件成形的條件。

圖1 實驗結(jié)果對比圖

一般會采取兩種方法來形成三維數(shù)字的模型。第一種是利用軟件負(fù)向數(shù)字化設(shè)計完成建模，即通過Auto CAD、UG、Pro/E等工具構(gòu)建數(shù)字模型，或者是將已存在的二維圖像轉(zhuǎn)變?yōu)槿S模型；第二種則是借助逆反技術(shù)，利用激光掃描設(shè)備對實物進行全方位、多層次的掃描，獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，再通過CAD工具完成三維重建、漏洞檢查、修飾已形成的3D數(shù)字模型?，F(xiàn)今企業(yè)生產(chǎn)設(shè)計絕大部分會利用工業(yè)性設(shè)計軟件。負(fù)向建模是過去經(jīng)常使用的模型設(shè)計技術(shù)，主要是按照實物的構(gòu)造、外形、質(zhì)量、色彩等特征，通過計算機輔助軟件（CAD）模擬出實物的設(shè)計過程。負(fù)向建模主要包括實物建模、曲面建模以及參數(shù)化建模三種。3D數(shù)字模型的設(shè)計絕大部分是借助實物建模法，這種方法對于形狀比較規(guī)則的物體設(shè)計而言效果較好，其涵蓋了實心數(shù)據(jù)，包括體積、大小、尺寸等精細(xì)化數(shù)據(jù)，可以滿足基礎(chǔ)性能的計算，還能夠利用數(shù)學(xué)公理來定義實際應(yīng)用材料，以便有效計算出實物的質(zhì)量、重力、摩擦力等物理屬性以及完成工程需求的數(shù)學(xué)分析，可是其對復(fù)雜的、具體化、精細(xì)化的、不規(guī)則模型設(shè)計來說操作比較麻煩。曲面建模主要指的是借助定義曲面來表現(xiàn)出形狀的建模方式。這種方法比較適合用于設(shè)計復(fù)雜的、精細(xì)的、不規(guī)則化的形狀。

3D掃描主要是利用被測物體外在出現(xiàn)的點樣本，之后借助這些點樣本去推測出被測物體的實際形狀和尺寸。絕大部分狀況下需要從多個角度、不同條件下完成多次掃描，獲取到有關(guān)的數(shù)據(jù)信息后，就需要將這些信息儲存在同一個參照體系內(nèi)進行有機結(jié)合，最后得到物體完整的模型信息。在這個過程中必須將掃描獲取到原始信息進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，再重新構(gòu)建它們之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，從而形成3D模型。

1.3 創(chuàng)建鈦合金部件的等溫模鍛

這個環(huán)節(jié)主要是通過材料的可塑性以及蠕變原理生產(chǎn)復(fù)雜鈦合金鍛件，這就要求模具事先預(yù)熱并確保溫度保持在750℃～1000℃以內(nèi)；液壓機按照預(yù)先設(shè)定的值逐步施壓，壓力機的工作速度主要是由毛坯的抗變形能力來完成自動調(diào)節(jié)的。因為模具主要依靠加熱完成，所以就不需要采取速度較快的活動橫梁來避免急冷。由于鈦合金屬+型鈦合金的組成主要是Ti6Al4V，退火組織為+相，含有8%的基礎(chǔ)元素鋁，利用熔合強化使相的強度獲得有效提升，因為鈦的穩(wěn)定相的能力比較低，因而其退火組織中相的存量比較少，大概只占8%～12%。鈦合金在不同的熱處理和熱加工條件下，基本相、的比例、性質(zhì)和形態(tài)是很不同的。鈦合金的轉(zhuǎn)換溫度需要控制在1200度左右，如果將鈦合金加熱至950℃，待其冷卻后所得組織視為初生+的轉(zhuǎn)換組織；若加熱至1100℃、空冷，就會獲得一個粗糙式的完全轉(zhuǎn)換相組織，稱之為魏氏組織。

1.4 實現(xiàn)3D打印件的無損檢測

航空鈦合金部件制造過程中出現(xiàn)的物理、化學(xué)和材料學(xué)現(xiàn)象比較復(fù)雜，其內(nèi)部組織和內(nèi)部承受力及變形、尺寸大小等關(guān)鍵均影響到最終成品的質(zhì)量，這就需要利用3D打印，利用熱處理和靜壓、表面摩擦等后處理確保實物對質(zhì)量的要求。借助激光選區(qū)熔化3D打印件的理化以及無損檢測，能夠進一步提高3D打印件的質(zhì)量。

2 仿真實驗論證與分析

為保證本文設(shè)計的基于現(xiàn)代3D打印技術(shù)的航空鈦合金部件設(shè)計的有效性，與傳統(tǒng)技術(shù)進行仿真實驗論證分析。

2.1 實驗準(zhǔn)備

為保證試驗的準(zhǔn)確性，將兩種方法設(shè)計置于相同實驗環(huán)境下，采用同一組航空鈦合金部件樣品，分別對其進行實驗處理，對其打印效果進行比較。

2.2 結(jié)果分析

試驗過程中，通過兩種不同的設(shè)計方法同時在相同環(huán)境下工作，分析其打印效果的變化。具體效果對比圖見圖1。

通過實驗結(jié)果可知，本文提出的基于現(xiàn)代3D打印技術(shù)的航空鈦合金部件設(shè)計，其打印質(zhì)量遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)方法，具備較高的實用性和有效性。

3 結(jié)語

本文對現(xiàn)代3D打印技術(shù)在航空鈦合金部件中的應(yīng)用進行分析與設(shè)計，依托現(xiàn)代3D打印技術(shù)的優(yōu)勢，收集并提取航空鈦合金的特征，實現(xiàn)航空鈦合金部件的制造設(shè)計。實驗論證結(jié)果表明，本文設(shè)計的基于現(xiàn)代3D打印技術(shù)的航空鈦合金部件制造具備極高的有效性，希望本文的研究能夠為我國航空鈦合金部件的制造以及現(xiàn)代3D打印技術(shù)的推廣和應(yīng)用提供理論依據(jù)和參考。