根据3D科学谷，航空增材制造需求的金属选择已扩大到包括铝合金、不锈钢、钛合金、镍基和铁基高温合金、铜合金和耐火合金。根据3D科学谷市场研究战略合作伙伴AMPower, 2022年全球增材制造金属材料的销量大约为6852吨（约9.5亿欧元），该市场有望以44%的年增长率在2027年达到4.2万吨（约30亿欧元），其中镍基高温合金年增长率约为37%，钛合金年增长率约为28%。
本期，通过节选国内在DED定向能量沉积钛合金增材制造领域的实践与研究，3D科学谷与谷友一起来领略快速发展的钛合金3D打印。
© 3D科学谷白皮书
电子束熔丝增材制造
TC11钛合金组织及力学性能
张国栋、张鹏、高健时、余槐、袁鸿、丁宁、熊华平
中国航发北京航空材料研究院3D打印研究与工程技术中心2. 空军装备部驻北京地区第六军事代表室
摘要：采用电子束熔丝增材工艺制造了直径260 mm的试环。分析了不同热处理状态的增材制造TC11钛合金微观组织和室/高温拉伸性能及其各向异性。并测试分析了锻件基体晶粒2次热处理和锻件基体与增材界面处的组织和性能。
结果表明：沉积态微观组织为沿<001>β方向生长的柱状晶。晶界存在连续α相，晶体内部由集束和网篮α相组成的片层组织。经950℃/2h/空冷+530℃/6h/空冷的热处理后晶界连续α相破碎，晶内α相宽度从1.1μm增加至1.8μm。并形成具有二次α相的双片层组织。锻件与增材过渡区锻件一侧，等轴初生α相转变为“雪花”状初生α相。锻件基体2次热处理后等轴初生α相轮廓光滑，转变β相比例增加，并形成大量细小的针状二次α相。沉积态室温及500℃高温拉伸性能均具有明显的各向异性。经过热处理后室/高温拉伸性能均获得改善并高于锻件要求且各向异性明显降低。与沉积态相比，热处理态室温抗拉强度和断后伸长率各向异性分别从4.4%和27.1%降低至1.6%和5.4%。柱状晶及其晶界连续α相是引起塑性各向异性的原因。锻件+增材界面处热处理后其室/高温拉伸性能均满足锻件要求。
电弧增材制造钛合金
成形工艺与过程控制
鲁涛、敬石开、聂靖轩、徐田秋、李昌远、刘长猛
北京理工大学机械与车辆学院
摘要：电弧增材制造（wire arc additive manufacturing, WAAM）技术被认为是制造大型钛合金构件最具前景的增材制造技术之一。然而，成形过程稳定性差、成形件表面质量及尺寸精度低是制约WAAM钛合金构件推广运用的主要瓶颈，对WAAM成形过程进行实时监测及反馈控制是解决这一难题的重要研究方向，也是当前WAAM钛合金研究的热点之一。对于WAAM钛合金的高效稳定成形而言，成形机制的研究是基础，工艺及装备的优化是保证，成形过程的监测与控制是关键。简要介绍了WAAM钛合金的成形工艺、装备及其运用，指出了成形件组织及力学性能的特点及其调控方法。
通过对WAAM钛合金常见缺陷及其形成机制的分析，指出了WAAM装备设计与工艺优化的方向。总结了WAAM成形过程中基于视觉信号、电信号、声信号及多信号融合的在线监测方法，综述了成形过程控制方法及控制系统的发展。最后，对全文进行了总结，展望了未来WAAM钛合金成形与控制领域值得深入研究的方向。
钛合金增材制造
成形偏差及累积机制
康兴泰、陈洪杰、李文锋、茅仪铭、尹清远、韦辉亮
南京理工大学机械工程学院
摘要：激光定向能量沉积（L-DED）是一种点、线、面逐步升维的制造工艺，广泛应用于中大型复杂构件的生产制造。但是在小型构件沉积时会出现比较大的沉积偏差，尤其在极小角度和极小尺寸情况下尤为显著。为此，通过建立的数值模拟模型，系统研究了Ti-6Al-4V (Al:5.5%～6.75%, V:3.5%～4.5%，余量为Ti)两边形构件小角度极沉积、三角形构件极小尺寸沉积，并通过结构温度场以及熔池流场的变化，分析了沉积偏差变化规律和累积机制。
结果表明，沉积偏差受到沉积角度和沉积尺寸的影响，单层两边形构件沉积角度由45°变化到15°时，沉积偏差从0.24%变化到1.14%; 10层三角形构件尺寸由14～10 mm变化时，沉积偏差从0.24%变化到5.46%。研究成果为构件几何结构参数的合理制定，以及沉积过程工艺参数选择的可行性提供了有益的启示，对控制小型构件的沉积精度有重要作用。
复合热源钛合金熔丝
高质量增材制造工艺研究
冯启高、王琳鑫、王磊、马利杰、汤永凯、李波波
河南科技学院机电学院2. 西安交通大学高端制造装备协同创新中心3. 西安增材制造国家研究院有限公司
摘要：针对钛合金熔丝增材制造零件表面粗糙度差、尺寸精度低的问题，提出了高质量复合热源熔丝成形工艺。以激光和焦耳热为热源，选用直径为0.3 mm的TC4钛合金细丝为沉积材料，首先通过焦耳电流预热金属丝，然后以低功率激光加热形成小尺寸熔池，随着基板的运动，金属丝被持续送入熔池并稳定沉积。通过单道沉积试验，研究了工艺参数对单道沉积层几何特征的影响规律。
结果表明：当激光功率在50～200 W、送丝速度在60～360 mm/min的范围内变化时，工艺参数对沉积层几何特征的影响显著；当移动速度在30～360 mm/min的范围内增加时，沉积层宽度减小，高度稳定；当焦耳电流增大至10 A时，出现了周期性丝材熔断，恶化了沉积形貌和沉积稳定性。在稳定沉积参数组合（激光功率为125 W，送丝速度为240 mm/min，移动速度为300 mm/min，焦耳电流为8 A）的基础上，以25 W的降序功率梯度进行过渡，优化了坍塌、变形等缺陷，获得了高质量的钛合金薄壁件，其表面粗糙度（Ra）为1.776μm，平均壁厚为0.648 mm，平均壁厚偏差为0.004 mm，优于主流的送丝增材制造工艺，且沉积态试样在移动方向和沉积方向的拉伸强度分别为（918.91±9.54）MPa和（926.516±22.52）MPa。
层间强制冷却对电弧熔丝增材制造
钛合金温度场和应力场的影响
张云舒、邵丹丹、丁东红、吴斌涛
宁夏大学材料与新能源学院2. 中船黄埔文冲船舶有限公司焊接技术室3. 南京工业大学机械与动力工程学院
摘要：电弧熔丝增材制造中热量积累容易造成零部件成形质量差、沉积效率低等问题。层间强制冷却有利于提高电弧熔丝增材制造效率、改善成形质量，从而获得了一定关注。基于有限元数值模拟分析，模拟了自然对流冷却和层间强制冷却下电弧熔丝增材制造Ti6Al4V钛合金成形过程，分析了层间强制冷却对增材钛合金墙体结构温度场与应力场的影响，并通过实验结果进行了验证。
结果表明：层间强制冷却可以有效增加成形过程中的散热，减小墙体结构热量积累、进一步改善成形件中的残余应力以及提升增材效率。
l 谷专栏 l
欢迎高校及科研机构、企业科学家加入谷专栏，与业界分享对推动增材制造发展起关键作用的共性基础科研与应用成果，欢迎扫描下方图片二维码提交您的信息。
白皮书下载 l 加入3D科学谷QQ群：106477771
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
欢迎转载 l 转载请注明来源3D科学谷
