中航发等 l 增材制造600℃高温钛合金研究进展

| 3DScienceValley · 2024/04/06

谷专栏

以下文章来源于航空材料学报，作者弭光宝

先进航空发动机高压压气机550～600 ℃环境使用的关键/重要件对600 ℃高温钛合金提出迫切需求。但是，难成形的复杂构件以及梯度/复合结构与功能一体化构件等的制造，采用传统铸造、锻造等工艺技术难以满足需求和研发要求。增材制造是先进制造技术的典型代表，拥有材料设计-制造一体化、复杂设计-定制一体化等独特优势，为600 ℃高温钛合金新材料/新技术研发提供了新的途径。目前国内外已开始关注通过增材制造的方式制备600 ℃高温钛合金，重点研究材料-工艺-组织-性能的关系。

《航空材料学报》期刊中发表的《增材制造600 ℃高温钛合金研究进展》一文，首先简要回顾600 ℃高温钛合金研究，其次重点介绍不同增材制造工艺下600 ℃高温钛合金沉积态和后处理态的微观组织特点；在综合性能研究方面，列举并分析拉伸性能、蠕变性能、热疲劳性能和抗氧化性能等关键性能；在复杂设计/复合结构章节，论述以600 ℃高温钛合金为基体的复合材料和梯度结构增材制造的研究进展。最后，对增材制造600 ℃高温钛合金材料开发、复合工艺探索、缺陷控制和性能评价标准建立等研究方向进行展望。本期谷.专栏，将简要分享该文。

▲论文链接：

https://jam.biam.ac.cn/CN/10.11868/j.issn.1005-5053.2023.000106#6

600 ℃被认为是传统高温钛合金的“热障”温度，在该温度以上其蠕变性能、组织稳定性及表面抗氧化等性能难以满足服役要求。相比镍基高温合金，600 ℃高温钛合金具有低密度、高比强和耐腐蚀等突出优点。先进航空发动机高压压气机550～600 ℃环境使用的关键/重要件对600 ℃高温钛合金提出迫切需求。然而，对于难成形的复杂构件、梯度/复合结构与功能一体化构件等，采用常规铸造、锻造等工艺技术很难满足需求和发展要求。

增材制造（additive manufacturing，AM）是一种革命性的制造技术，它通过“离散-堆积”的形式逐层添加材料来构建三维物体。与传统工艺相比，增材制造可以实现近净成形和无模化生产，能够在缩短加工周期的同时提升材料利用率。此外，增材制造还能将多个零件进行整合加工，降低零件数量和装配成本；相应的修复技术还能用于关键零部件的维护，避免直接更换零件带来的经济损失。因此，采用增材制造工艺制备高温钛合金关键零部件，对推动高性能航空发动机技术进一步发展具有重要工程价值。

增材制造600 ℃高温钛合金的微观组织

目前，600 ℃高温钛合金的增材制造工艺可分为直接能量沉积和粉末床熔化两种。根据热源不同，又可细分为激光熔化沉积、电子束熔化沉积、电弧熔丝沉积、激光选区熔化和电子束选区熔化等几种工艺。

增材制造过程中高温钛合金经历的快热快冷以及复杂的热循环历史使其具有相比传统工艺独特的显微组织，例如粗大的柱状晶、层带组织以及非平衡相等。

图1 激光熔化沉积Ti60A合金微观组织（a）低倍；（b）高倍

就材料体系而言，600 ℃高温钛合金属于Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系合金，其增材制造组织往往还含有硅化物析出相。这些显微组织也影响着构件的服役性能，使得构件往往具有明显的各向异性和高强低塑等特点，如图2所示。

图2 电子束熔化沉积600 ℃高温钛合金微观组织

为了获得均匀组织和良好综合性能，除调整工艺参数外，还可通过热处理、热等静压等后处理进行改善。此外，部分研究人员也在探索增材制造工艺与其他制造工艺相结合的可能性。例如，超声冲击强化不仅可以提高增材构件的表面质量，还能促进柱状晶向等轴晶的转变，改善综合性能。下图为结合激光熔化沉积和超声冲击强化（ultrasonic impact toughning，UIT）两种工艺制备的Ti60合金微观组织，沉积态试样底部和顶部由等轴晶组成，中间部分则由粗大的柱状晶组成，构件内部分布着一定数量的气孔；经过超声冲击强化后，构件表面粗糙度降低了60%，内部孔隙尺寸变小，粗大柱状晶破碎，等轴晶数量增多，表面形成了纳米晶；UIT能提高构件的显微硬度，减小内部的残余应力，并使拉应力转变为压应力。

图3 超声冲击强化强化前后激光熔化沉积Ti60合金微观组织（a）超声冲击强化前；（b）超声冲击强化后。

增材制造600 ℃高温钛合金复合材料和梯度结构

为了进一步提高高温钛合金的服役温度和综合性能，碳纳米管、石墨烯、TiB、TiC、氮化物、LaB6等多种纳米材料、陶瓷颗粒和稀土间化合物被作为增强相来改善钛合金的性能，增材制造钛基复合材料得到广泛关注。此外，随着航空发动机压气机叶盘全钛化及飞机结构整体化的应用与发展，增材制造工艺也被应用于双钛合金梯度结构的研发。

发展方向

尽管600 ℃高温钛合金的增材制造技术在研究阶段取得了令人瞩目的进展，但仍然面临一些挑战。譬如，探索粉末粒度和级配对增材构件组织和性能的影响；通过增材制造开发新材料和新结构；探索新的复合增材制造技术；增材制造缺陷控制和智能检测技术；建立完善的性能评价标准及指标体系。此外，还需要考虑进一步降低制造成本、提高生产效率、提高质量控制和标准化水平。

结语

随着我国2035新材料强国战略的实施，增材制造钛合金材料技术进入创新发展的新阶段。在高性能先进航空发动机轻量化、服役安全和节能低碳等发展需求驱动下，传统铸/锻造钛合金和新型增材制造钛合金均不断得到发展。“一代新材料，一代新型发动机”，当前随着增材制造600 ℃高温钛合金及其复合材料/复合结构的深入研究，技术成熟度不断提升，将逐渐应用于发动机关键/重要件，助推我国未来航空发动机技术实现跨越发展。

论文引用格式
弭光宝，谭勇，陈航，等. 增材制造 600 ℃ 高温钛合金研究进展[J]. 航空材料学报，2024，44(1)：15-30.
MI Guangbao，TAN Yong，CHEN Hang，et al. Progress on additive manufacturing of 600 ℃ high-temperature titanium
alloys[J]. Journal of Aeronautical Materials，2024，44(1)：15-30.

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