永益钛再谈钛合金增材制造的技术工艺和材料体系

钛合金增材制造是融合钛合金材料特性与 3D 打印技术的先进制造方式，在复杂结构成型、材料利用率及性能优化等方面优势显著，已成航空航天、医疗、能源等高端领域核心技术。钛合金高强度、低密度、耐蚀性强且具生物相容性，但传统加工因熔点高、热导率低受限，增材制造则可突破 “减材加工” 限制，实现结构创新、提升材料利用率并支持快速定制。

其主流工艺包括激光粉末床熔融（SLM）、电子束粉末床熔融（EBM）和激光定向能量沉积（DED）。SLM 用高功率激光熔化钛合金粉末，成型精度高，适用多种钛合金，用于航空发动机叶轮等；EBM 借电子束在真空环境加热成型，速度快、热应力低，适合大型结构件；DED 通过激光熔化同步输送的粉末或丝材，适合修复零件或制造大型构件，沉积效率高但精度较低。

该技术在航空航天领域，可制造轻量化高强度零件，如空客 A350 支架减重 30%，SpaceX 火箭喷嘴缩短周期 80%；医疗领域能基于 CT 数据定制骨科植入物与牙科修复体，多孔结构促进骨整合；能源与工业领域可制耐蚀泵叶轮、优化模具冷却通道等，应用场景广泛且契合各领域高端需求。

当前技术面临热应力与变形、组织性能控制及成本高等挑战。钛合金成型时温度梯度大易裂纹翘曲，快速凝固会产生脆性相，且粉末与设备成本高。对此，可通过模拟软件优化工艺、添加支撑结构，结合热等静压等后处理技术改善性能，同时开发低成本钛合金与回收废料以降低成本。

未来，钛合金增材制造将向多材料集成制造发展，嵌入陶瓷等实现功能梯度材料；结合 AI 与数字孪生技术智能化生产；随设备国产化与粉末量产，2030 年成本或降 50%；还将在新能源汽车、海洋工程等领域拓展，从原型制造向批量生产转型，推动制造业高效绿色发展。

以下是针对钛合金增材制造（Additive Manufacturing, AM）的综合分析，涵盖技术、工艺、标准、型材应用、挑战与发展趋势，结合最新研究进展与产业实践展开：

一、技术与工艺体系

1、主流技术分类

激光粉末床熔融（SLM/L-PBF）

适用材料：钛合金粉末（TC4、TA15等）

特点：精度高（±0.1mm）、表面光洁度好，适合复杂精密零件（如航空发动机叶片、医疗植入物）。

案例：铂力特BLT-S500设备制造航空发动机TC4叶片，减重30%且内部镂空设计优化气流。

电子束粉末床熔融（EB-PBF）

特点：真空环境减少氧化，高温成型适合高温合金（如TiAl），但表面粗糙度高需后处理。

定向能量沉积（DED）

2、适用材料：粉末/丝材

应用：大尺寸部件（火箭燃料箱）或高价值零件修复（涡轮叶片）。

丝材电弧增材制造（WAAM）

优势：沉积速率高（2.23 kg/h），成本低，适合大型结构（飞机承力框）；但强度随速率增加而降低（984.6 MPa→899.2 MPa）。

3、核心工艺挑战与突破

强度-延展性权衡：

问题：SLM成型TC4因α'马氏体导致高强（1100MPa）低延（8%）。

突破：帕累托主动学习框架优化工艺参数，实现UTS 1190MPa + 延展性16.5%。

残余应力控制：

方案：优化基板预热（EB-PBF）、激光扫描路径（SLM）。

微观组织调控：

例如：Ti-13Nb-13Zr经900℃冰淬获得α''相，弹性模量降至73GPa（接近人骨），提升生物相容性。

二、材料体系与型材应用

1、主流钛合金材料特性

2、型材分类与应用场景

粉末：SLM/EBM原料，粒径15–53μm，球形度>95%（铂力特标准），用于精密零件。

丝材：WAAM原料，直径1–2mm，沉积效率高，适合火箭储箱等大型构件。

锻件：传统工艺制造高承力部件（如压气机盘），增材制造逐步替代中。

医疗定制化植入物：

下颌骨修复：符合《T/CSBM 0023-2022》标准，延伸板厚度≥1mm，误差±0.35mm。

椎间融合器：多孔钛合金设计提升骨整合效率。

三、标准体系与质量控制

1、国际与国家标准

俄罗斯：ГОСТ Р 71186-2023 规范钛合金粉末成分、流动性及环保要求。

中国：

医疗领域：T/CSBM 0023-2022 规定3D打印下颌骨植入物设计、力学性能（硬度≥260HV）。

航空航天：GB/T 38915-2020 高温钛合金锻件标准，覆盖TA15等牌号。

2、检测要求：

无损检测：HB 7718 超声波探伤，缺陷阈值≤φ2mm（航空级）。

成分控制：氧含量≤0.13%（TA15航空级）。

四、技术挑战

1、工艺稳定性

孔隙率控制：需精确调控激光功率、保护气体（如氩气纯度>99.999%）。

大尺寸构件均匀性

问题：Φ>500mm棒材心部晶粒粗化（如TC11强度波动>10%）。

2、成本与效率

粉末成本高：航空级TC4粉末价格达$300/kg，WAAM可降低50%材料成本。

3、后处理依赖

热处理必要性：SLM件需退火消除α'相，否则延展性不足。

五、发展趋势

1、材料智能化设计

高熵合金：如(CoCrNi)94(TiAl)6核壳强化相，提升低温韧性。

复合材料：TiC颗粒增强（TP-650）提升650℃抗蠕变性。

2、工艺智能化升级

数字孪生：实时监控熔池形态，减少残余应力。

多激光协同：铂力特BLT-S1500实现1.5m大尺寸零件一体成型。

3、产业规模化与绿色化

效率突破：超高速打印（>500g/h）推动航空件批量生产。

循环经济：粉末回收利用率>80%，降低碳足迹。

六、应用前沿案例

1、航空航天：

波音787：快速等离子沉积钛合金起落架组件，单机节省成本300万美元。

长征五号：TC4 ELI液氢燃料箱，-196℃保持高韧性。

2、医疗：

南京医科大学：3D打印钛板精准重建下颌骨，手术同步切除肿瘤与重建。

3、国防：

美国“移动零件医院”：战场快速修复钛合金武器部件。

总结与展望

钛合金增材制造的核心价值在于打破几何约束（复杂轻量化结构）、突破性能边界（强度-韧性协同）、推动定制化革命（医疗植入物）。未来突破需聚焦三方面：

材料创新：开发TiAl-Nb基合金（耐温>1000℃）及智能响应材料。

标准统一：构建覆盖“粉末-工艺-检测”全链条国际标准体系。

全流程智能化：AI驱动工艺优化（如帕累托框架）与数字孪生工厂。
随着技术成熟度提升，钛合金增材制造将从“补充工艺”发展为航空航天、生物医疗高端制造的核心技术支柱。