北航在定向生长柱晶及单晶钛合金领域的3D打印技术

钛合金具有密度低、强度高、屈强比高、耐蚀性及高温力学性能优异等突出性能优点，在石化、海洋、航空、航天、舰艇、冶金、兵器等工业机械装备中广泛用作关键高温结构件。随着工业技术水平的不断提高，对高温钛合金材料性能及其制备技术的要求愈来愈苛刻。
 
传统方法提高高温钛合金高温力学性能的主要方法是对近α钛合金进行固溶强化、控制β转变组织及利用少量金属硅化物沉淀强化。随着3D打印技术的发展，可制备出具有定向生长挺直柱晶及单晶组织特征的各种形状钛合金锭材与各种复杂近净成形零件，其高温力学性能尤其是高温蠕变性能、高温持久寿命等高温力学性能较工业锻造 及铸造等轴晶钛合金大幅度提高，可广泛适用于石化、海洋、航空、航天、舰艇、冶 金、兵器等工业中。本期，3D科学谷与谷友一起来了解北京航空航天大学在这一领域的进展。

3D打印在

晶界的大作用

晶界是钛合金等金属结构材料在长期高温服役条件下变形、裂纹萌生与扩展的薄 弱环节，更是高温条件下氧原子向钛合金内部快速渗透扩散并进而引发严重晶界脆性、氧扩散层脆性和零件早期断裂失效的快速通道。

若能消除高温钛合金关键 热端零部件中垂直于受力方向的晶界(即横向晶界)、制备出具有定向生长挺直柱晶的钛合金材料，这种材料的高温力学性能尤其是高温持久寿命、蠕变强度等高温力学性能无疑将大幅度提高。再进一步，若能完全消除晶界这一薄弱环节，制备出单晶钛合金，那么钛合金零件的性能则会有更为显著的提高。

然而，由于高温下钛的高度化学活泼性，定向凝固过程中高温钛合金熔体几乎会与所有高温耐火材料模壳发生严重的化学反应； 由于钛合金的导热系数很低，凝固冷却速度慢，难以稳定地在液－固界面前沿建立并维持定向凝固所需的冷却速度与沿生长方向的高的温度梯度，钛合金熔体将主要由型壁散热而在其附近区域大量形核最终长大为等轴晶，当今所有金属材料定向凝固技术均无法实现钛合金的定向生长。

北京航空航天大学的增材制造技术是通过在动态密封气氛可控加工保护室或密闭气氛可控加工保护室(先抽真空后充惰性保护气体)中，以高能束流作为热源，将气流或重力同步输送的钛合金粉末流在普通钛合金基板上连续熔化沉积或逐层熔化沉积，无模自由成形直接制备具有定向生长挺直柱晶组织、不同截面形状的钛合金锭材或任意复杂的钛合金零件；采用选晶或者使用单晶籽晶的手段，连续熔化沉积可以制备出单晶钛合金锭材，在单晶钛合金基板上逐层熔化沉积还可制备出单晶钛合金零件。

图1连续熔化沉积方式制备定向生长钛合金柱晶棒材示意图

图2逐层熔化沉积方式制备定向生长柱晶钛合金板材的示意图
 
图3在单晶籽晶上采用连续熔化沉积方式制备定向生长单晶钛合金锭材示意图

具体步骤如下：

第一步：将粒度为-60～+300目的钛合金粉末放入送粉器中；
 
第二步：将钛合金基板放入动态密封气氛可控加工保护室或密闭气氛可控加工保 护室中并固紧； 

第三步：将纯度为99.99～99.999％的高纯氩气或氦气惰性保护气体充入动态密封气氛可控加工保护室中或将密闭气氛可控加工保护室先抽真空度至10-1～10-3Pa再充入纯度为99.99～99.999％的高纯氩气或氦气惰性保护气体至常压；
 
第四步：导入高能束流热源，同步开启送粉器输送钛合金粉末，要求钛合金基板 表面与成形零件或锭材的结合区域表面局部被熔化，其中热源根据所需制备钛合金零件或锭材的形状大小调节其功率、束斑形状及束斑尺寸等参数，粉末输送速率根据制 备零件及锭材的形状大小等要求，与高能束功率、束斑尺寸、扫描速度、单层沉积高 度、连续提升速度(即连续熔化沉积增高速度)等相适配； 

第五步：成形锭材或零件过程，通过高能束流热源加工头的连续提升(基板不动) 或基板的连续下拉(热源加工头不动)，高能束流热源将同步输送的钛合金粉末连续 熔化沉积在普通钛合金基板上，制备具有定向凝固柱状晶组织的钛合金锭材；或利用高能束流热源将同步输送的钛合金粉末连续或逐层沉积在钛合金单晶籽晶或单晶基板上，制备具有单晶组织的钛合金锭材或复杂零件；或高能束流光源沿零件CAD模型 断面切片轨迹扫描，将同步输送的钛合金粉末逐层熔化沉积在普通钛合金基板上，制备具有定向凝固柱状晶组织的不同形状及尺寸的钛合金零件；
 
第六步：制备的定向凝固柱状晶或单晶钛合金零件或锭材冷却至100℃以下后，打开动态密封气氛可控加工保护室或密闭气氛可控加工保护室，将其取出；
 
第七步：根据需要，对制备的定向凝固柱状晶或单晶钛合金零件或锭材进行成分、 组织及性能测试。 

本文参考资料：

专利：定向生长柱晶及单晶钛合金的制备方法-北京航空航天大学

专利EP2985369:METHOD FOR MANUFACTURING SiC SINGLE CRYSTAL
定向凝固与单晶材料制备-豆丁网

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