介紹
金屬3D列印技術起源於20世紀90年代的快速成型工藝（RP），基於“離散+堆疊”的增材製造理念，利用高能粒子束熔化金屬粉末，結合三維立體數字模型，逐層製備高效能近乎全緻密的金屬零件[1]。 粉末金屬3D列印技術主要由雷射熔化沉積建模（LMD）、雷射選區熔化成型（SLM）和電子束選區熔化成型（SEBM）三種技術組成[2-5]。 與精密鑄造、滾壓鍛造等傳統工藝相比，3D列印技術的優勢在於：（1）高能粒子束的瞬時溫度可達數十萬攝氏度，適用於鈦合金等難熔金屬零件的製備;（2）屬於近凈成形技術，節省加工時間，減少金屬廢料，適用於難加工、難變形鈦合金零件的製備（3）增材製造技術理念，無需成型模具即可製備幾何形狀複雜的鈦合金零件，不僅可以大大縮短零件從設計到生產的生產週期，還可以避免陶瓷夾雜物汙染;（4）真空或惰性氣體氣氛的製備環境，最大程度地避免了氮氣、氧氣等雜質氣體對合金效能的影響（5）精確控制合金成分分布，適用於製備雙合金盤等功能梯度材料[6,7]。
鈦合金具有比強度高、熱膨脹係數低、耐腐蝕性強、生物相容性好等優點，已廣泛應用於航空航天、石油能源、醫療器械、海洋船舶等領域，並已形成產業規模[8-11]。 將金屬3D列印技術應用於鈦合金零件的製備，不僅可以顯著提高鈦合金材料的利用率，還可以克服鈦合金耐火材料難變形、易被陶瓷坩堝和氣體元素汙染的工藝難，因此具有廣闊的應用前景。 本文探討了粉末鈦合金3D列印技術的製備原理和特點，並總結了近年來的相關研究進展，最後探討了粉末鈦合金3D列印技術的市場化現狀和發展趨勢。
一、鈦合金3D列印技術研究現狀
1.1.雷射熔化沉積成型（LMD）。
20世紀90年代，雷射熔化沉積建模技術由美國桑迪亞國家實驗室和美國Optomec公司共同開發。 隨後，世界各地的大學和科研機構都開展了自主研究工作，如美國桑迪亞實驗室的雷射網成形技術（LENS）[3]、中國西北工業大學的雷射立體成形技術（LSF）[12]、英國曼徹斯特理工學院的雷射直接沉積技術（DLD）[13]、 以及密西根大學的金屬直接沉積技術（DMD）[14]和美國的POM。雖然名稱不同，但基本原理是利用惰性氣體輸送金屬粉末，然後將千瓦級雷射束焦點處的金屬粉末通過送粉器和粉末噴嘴進行瞬時熔化，然後按照計算機模型從下到上逐層堆放熔融金屬層， 最後直接列印出三維金屬成型件，整個製備過程在惰性氣體保護下，如圖1[15]所示。
LMD的主要引數包括雷射功率、掃瞄速度、搭接比、單層厚度、送粉率等，為了便於實驗分析，引入線能量，定義為雷射功率與掃瞄速度的比值，單位為J mm。 在Ti-22Al-25NB的製備過程中，LMD的微觀結構以千瓦級雷射器為能量源，熔池溫度高，容易形成粗晶粒[16\u201217]。 Zhang等[18]表明，當線能量大於993 J mm時，晶粒呈等軸形貌當搭接率為40%時，成型件無熔合不良;單層厚度太小會導致重熔加深，導致層間組織粗糙。 LMD鈦合金的組織具有外延生長的特點，易於通過多個沉積層形成柱狀晶粒，表現出定向凝固的特點。 Carroll等[19]製備的“十”形Ti-6al-4V合金成型件沿垂直方向長成長為細長的柱狀晶粒，成型件機械各向異性，橫向伸長率明顯高於縱向伸長率。 Qiu等[20,21]表明，高雷射功率和低粉末進給速率可以使Ti-6Al-4V合金的孔隙率最小化，後續的HIP處理可以促進馬氏體相向層狀+相的轉變，從而提高合金的韌性，消除力學效能的各向異性。 TC11鈦合金成型件沿垂直於雷射公升降的方向具有高強度和低塑性力學效能;近相鈦合金Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1F的晶粒有3種形貌，即沉積層重疊帶的大柱狀、頂部的小柱狀和底部的等軸狀[22-25]。 表1列出了不同牌號鈦合金LMD成型件的力學效能。
1.2.雷射選區熔化沉積成型技術（SLM）。
雷射選區熔化成形技術最早於2024年由德國Frau-Hofer研究所提出[27]，該技術是在2024年由德國Frau-Hofer研究所[27]提出的。r.Dechard[28]雷射選擇性燒結（SLS）技術是在兩種工藝原理的基礎上發展起來的，具體工藝如下：掃瞄前，水平粉末輥將金屬粉末鋪在基體上;雷射束根據3D輪廓資料選擇特定區域進行粉末熔化，並對當前層的輪廓進行加工;然後通過公升降平台降低一層厚度，粉輥將金屬粉末鋪在已經加工過的前一層上，控制程式呼叫下一層資料進行加工，以此類推重複金屬零件的製備。 整個過程在惰性氣氛中保護，避免鈦合金在高溫條件下與雜質氣體發生反應，確保鈦合金成型零件的成分符合要求。
SLM工藝引數包括雷射功率P、掃瞄速度V、單層厚度T、掃瞄間距H、掃瞄策略等，綜合評價引數的能量密度以J mm3為單位介紹。 研究表明[29\u201230]，低能量密度的Ti-6Al-4V成型件頂部往往存在大量孔隙和較差的熔點，且顯微組織以層狀+相為主高能量密度容易導致材料汽化和嵌入孔隙的形成，顯微組織以針狀馬氏體相為主。 Thijs等[31]表明，高能量密度促進了TC4合金熔池邊界處鋁的偏析，從而增加了2-Ti3Al相的含量。 Yadroitsev等[32]使用CCD相機光學監測系統觀察到，增加雷射功率和延長雷射照射時間會增加熔池的最高溫度、幾何寬度和深度。 此外，近年來，研究人員將熱等靜壓（HIP）技術與SLM技術相結合，有效降低了SLM成型件的孔隙率。 研究表明[33-38]，HIP處理可以將沉積態的孔隙度從0降低到0501% 降低到 0012%，並能改善合金效能。 圖2為雷射選區熔煉成形示意圖，表2列出了SLM鈦合金成型件的力學效能。
1.3.電子束選區熔化成型技術（SEBM）。
電子束選區熔煉成形技術是瑞典和Arcam於20世紀初聯合開發的，採用逐層粉末熔煉法製備金屬零件，工藝流程與SLM相似，不同之處在於SEBM使用電子束代替雷射作為能量源，製備過程是在10-3Pa以上的高真空環境中。 電子束能量源具有能量利用率高、作用深度大、金屬反射小、材料吸收率高等優點，成形效率明顯高於SLM工藝高真空環境可以最大限度地減少空氣中O、N等間隙元素對材料的汙染。
SEBM的技術引數主要包括電子束電流、聚焦補償、掃瞄速率、加速電壓等。 SEBM技術製備的Ti-48Al-2NB-2Cr合金的顯微組織具有多種板條和塊狀的-Tial相束[39]。
SEBM製備的Ti-6Al-4V微觀結構以片狀相為主，薄片之間有少量相[40]。 Safdar等[41]表明，SEBM技術製備的Ti-6Al-4V的粗糙度Ra值隨成型件高度和光斑直徑的增加而增大，隨掃瞄速度和焦點補償的降低而減小。 Karlsson等[42,43]使用SEBM製備的Ti-6al-4V成型件的側面附著較多的未熔化顆粒，並且由於重熔效應，頂面相對光滑。
SEBM利用超高動能電子束高速轟擊金屬球形粉末，如圖3所示，當電子束的部分動能直接轉化為粉末動能時，容易引起粉末塌陷現象，即粉末顆粒會被電子束“推開”，形成蒸粉現象[44]。 目前，防止蒸粉的基本原理是通過選擇合適的粉體粒徑和流動性，對粉體和基材進行預熱，優化電子束掃瞄策略，提高粉床的穩定性，以克服電子束推力。 Hrabe等[46]對基體進行預熱，有效防止粉末塌陷，得到具有均勻顯微組織和相似力學效能的成型件。 表3顯示了不同SEBM鈦合金成型件的力學效能，表明SEBM鈦合金仍具有機械各向異性。
二、粉末鈦合金3D列印應用進展
近年來，3D列印裝置和金屬粉末製備技術的不斷發展，不斷推動3D列印粉末鈦合金成型件在醫療、航空航天等領域的市場化應用。 表4對比研究了LMD、SLM和EBM三種3D列印技術的引數特性。 LMD裝置採用千瓦級雷射器，成形效率高，易於獲得完全緻密的顯微組織，通常用於製備大尺寸鈦合金結構件，如2024年美國Aeromet公司的鈦合金翼根吊環、國產大型客機C919的鈦合金**翼梁和殲-31的主承重鈦合金增強框架構件等。 然而，成型件尺寸精度低、加工餘量大、高功率雷射易氧化等是制約LMD技術進一步發展的主要因素。 SLM裝置由於光斑直徑小、單層厚度低、粉末粒徑小，表面質量最好，適用於製備多孔材料等網狀零件和幾何形狀複雜的小型鈦合金零件，如圖4所示。
然而，SLM的成形效率低，金屬粉末成本高，是亟待解決的技術難點。 SEBM裝置能力介於LMD和SLM之間，表面質量好，成形效率高，是醫療領域和航空領域的主要製備技術，如圖5所示。 表5列出了不同3D列印裝置的成型件尺寸和功率，可以看出SLM和SEBM裝置的電源功率和成型件的尺寸都比LMD裝置小，因此LMD具有列印大型成型件的能力。 圖6顯示了近年來金屬粉末3D列印裝置研發的進展情況，可以看出，大功率能源的研發不再是裝置的主要重點，大尺寸成型件、高精度光斑、恆定能量源是未來3D列印裝置的主要發展趨勢。
三、結語
粉末鈦合金3D列印技術作為一種新型的鈦合金製造技術，適用於製備高熔點、不易變形、高活性的鈦合金近凈成形零件，近年來迅速成為世界鈦合金製造業的研究熱點。 目前，國產粉末鈦合金3D列印技術仍處於商業化的初始階段，未來亟待解決的問題包括：（1）高品質球形鈦合金粉末生產裝置和工藝研發，替代目前高成本的進口鈦合金粉末;（2）建立3D列印鈦合金的技術標準，包括標準顯微組織、熱處理工藝、熱等靜壓後處理等，充分發揮3D列印鈦合金的綜合性能（3）完善鈦合金3D列印技術成本核算體系，努力發展“投入產出比”高的領域。（4）進一步研發成型精度高、表面粗糙度低、成型效率高的商業級金屬3D列印裝置。 未來，隨著技術研究的不斷積累和商業模式的不斷完善，粉末鈦合金3D列印技術的產業化應用必將成為鈦合金製造業發展的重要驅動力和新的增長點。
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