中航發(fā)等 ：增材制造600℃高溫鈦合金研究進(jìn)展

來源：航空材料學(xué)報(bào)

先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)高壓壓氣機(jī)550～600 ℃環(huán)境使用的關(guān)鍵/重要件對600 ℃高溫鈦合金提出迫切需求。但是，難成形的復(fù)雜構(gòu)件以及梯度/復(fù)合結(jié)構(gòu)與功能一體化構(gòu)件等的制造，采用傳統(tǒng)鑄造、鍛造等工藝技術(shù)難以滿足需求和研發(fā)要求。增材制造是先進(jìn)制造技術(shù)的典型代表，擁有材料設(shè)計(jì)-制造一體化、復(fù)雜設(shè)計(jì)-定制一體化等獨(dú)特優(yōu)勢，為600 ℃高溫鈦合金新材料/新技術(shù)研發(fā)提供了新的途徑。目前國內(nèi)外已開始關(guān)注通過增材制造的方式制備600 ℃高溫鈦合金，重點(diǎn)研究材料-工藝-組織-性能的關(guān)系。

《航空材料學(xué)報(bào)》期刊中發(fā)表的《增材制造600 ℃高溫鈦合金研究進(jìn)展》一文，首先簡要回顧600 ℃高溫鈦合金研究，其次重點(diǎn)介紹不同增材制造工藝下600 ℃高溫鈦合金沉積態(tài)和后處理態(tài)的微觀組織特點(diǎn)；在綜合性能研究方面，列舉并分析拉伸性能、蠕變性能、熱疲勞性能和抗氧化性能等關(guān)鍵性能；在復(fù)雜設(shè)計(jì)/復(fù)合結(jié)構(gòu)章節(jié)，論述以600 ℃高溫鈦合金為基體的復(fù)合材料和梯度結(jié)構(gòu)增材制造的研究進(jìn)展。最后，對增材制造600 ℃高溫鈦合金材料開發(fā)、復(fù)合工藝探索、缺陷控制和性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)建立等研究方向進(jìn)行展望。本期谷.專欄，將簡要分享該文。

600 ℃被認(rèn)為是傳統(tǒng)高溫鈦合金的“熱障”溫度，在該溫度以上其蠕變性能、組織穩(wěn)定性及表面抗氧化等性能難以滿足服役要求。相比鎳基高溫合金，600 ℃高溫鈦合金具有低密度、高比強(qiáng)和耐腐蝕等突出優(yōu)點(diǎn)。先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)高壓壓氣機(jī)550～600 ℃環(huán)境使用的關(guān)鍵/重要件對600 ℃高溫鈦合金提出迫切需求。然而，對于難成形的復(fù)雜構(gòu)件、梯度/復(fù)合結(jié)構(gòu)與功能一體化構(gòu)件等，采用常規(guī)鑄造、鍛造等工藝技術(shù)很難滿足需求和發(fā)展要求。

增材制造（additive manufacturing，AM）是一種革命性的制造技術(shù)，它通過“離散-堆積”的形式逐層添加材料來構(gòu)建三維物體。與傳統(tǒng)工藝相比，增材制造可以實(shí)現(xiàn)近凈成形和無�；�生產(chǎn)，能夠在縮短加工周期的同時(shí)提升材料利用率。此外，增材制造還能將多個(gè)零件進(jìn)行整合加工，降低零件數(shù)量和裝配成本；相應(yīng)的修復(fù)技術(shù)還能用于關(guān)鍵零部件的維護(hù)，避免直接更換零件帶來的經(jīng)濟(jì)損失。因此，采用增材制造工藝制備高溫鈦合金關(guān)鍵零部件，對推動高性能航空發(fā)動機(jī)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展具有重要工程價(jià)值。

增材制造600 ℃高溫鈦合金的微觀組織

目前，600 ℃高溫鈦合金的增材制造工藝可分為直接能量沉積和粉末床熔化兩種。根據(jù)熱源不同，又可細(xì)分為激光熔化沉積、電子束熔化沉積、電弧熔絲沉積、激光選區(qū)熔化和電子束選區(qū)熔化等幾種工藝。

增材制造過程中高溫鈦合金經(jīng)歷的快熱快冷以及復(fù)雜的熱循環(huán)歷史使其具有相比傳統(tǒng)工藝獨(dú)特的顯微組織，例如粗大的柱狀晶、層帶組織以及非平衡相等。

△圖1 激光熔化沉積Ti60A合金微觀組織（a）低倍；（b）高倍

就材料體系而言，600 ℃高溫鈦合金屬于Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系合金，其增材制造組織往往還含有硅化物析出相。這些顯微組織也影響著構(gòu)件的服役性能，使得構(gòu)件往往具有明顯的各向異性和高強(qiáng)低塑等特點(diǎn)，如圖2所示。

△圖2 電子束熔化沉積600 ℃高溫鈦合金微觀組織

為了獲得均勻組織和良好綜合性能，除調(diào)整工藝參數(shù)外，還可通過熱處理、熱等靜壓等后處理進(jìn)行改善。此外，部分研究人員也在探索增材制造工藝與其他制造工藝相結(jié)合的可能性。例如，超聲沖擊強(qiáng)化不僅可以提高增材構(gòu)件的表面質(zhì)量，還能促進(jìn)柱狀晶向等軸晶的轉(zhuǎn)變，改善綜合性能。下圖為結(jié)合激光熔化沉積和超聲沖擊強(qiáng)化（ultrasonic impact toughning，UIT）兩種工藝制備的Ti60合金微觀組織，沉積態(tài)試樣底部和頂部由等軸晶組成，中間部分則由粗大的柱狀晶組成，構(gòu)件內(nèi)部分布著一定數(shù)量的氣孔；經(jīng)過超聲沖擊強(qiáng)化后，構(gòu)件表面粗糙度降低了60%，內(nèi)部孔隙尺寸變小，粗大柱狀晶破碎，等軸晶數(shù)量增多，表面形成了納米晶；UIT能提高構(gòu)件的顯微硬度，減小內(nèi)部的殘余應(yīng)力，并使拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力。

△圖3 超聲沖擊強(qiáng)化強(qiáng)化前后激光熔化沉積Ti60合金微觀組織（a）超聲沖擊強(qiáng)化前；（b）超聲沖擊強(qiáng)化后。

增材制造600 ℃高溫鈦合金復(fù)合材料和梯度結(jié)構(gòu)
為了進(jìn)一步提高高溫鈦合金的服役溫度和綜合性能，碳納米管、石墨烯、TiB、TiC、氮化物、LaB6等多種納米材料、陶瓷顆粒和稀土間化合物被作為增強(qiáng)相來改善鈦合金的性能，增材制造鈦基復(fù)合材料得到廣泛關(guān)注。此外，隨著航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)葉盤全鈦化及飛機(jī)結(jié)構(gòu)整體化的應(yīng)用與發(fā)展，增材制造工藝也被應(yīng)用于雙鈦合金梯度結(jié)構(gòu)的研發(fā)。

發(fā)展方向
盡管600 ℃高溫鈦合金的增材制造技術(shù)在研究階段取得了令人矚目的進(jìn)展，但仍然面臨一些挑戰(zhàn)。譬如，探索粉末粒度和級配對增材構(gòu)件組織和性能的影響；通過增材制造開發(fā)新材料和新結(jié)構(gòu)；探索新的復(fù)合增材制造技術(shù)；增材制造缺陷控制和智能檢測技術(shù)；建立完善的性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及指標(biāo)體系。此外，還需要考慮進(jìn)一步降低制造成本、提高生產(chǎn)效率、提高質(zhì)量控制和標(biāo)準(zhǔn)化水平。

結(jié)語
隨著我國2035新材料強(qiáng)國戰(zhàn)略的實(shí)施，增材制造鈦合金材料技術(shù)進(jìn)入創(chuàng)新發(fā)展的新階段。在高性能先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)輕量化、服役安全和節(jié)能低碳等發(fā)展需求驅(qū)動下，傳統(tǒng)鑄/鍛造鈦合金和新型增材制造鈦合金均不斷得到發(fā)展�！耙淮�新材料，一代新型發(fā)動機(jī)”，當(dāng)前隨著增材制造600 ℃高溫鈦合金及其復(fù)合材料/復(fù)合結(jié)構(gòu)的深入研究，技術(shù)成熟度不斷提升，將逐漸應(yīng)用于發(fā)動機(jī)關(guān)鍵/重要件，助推我國未來航空發(fā)動機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)跨越發(fā)展。

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

論文引用格式
弭光寶，譚勇，陳航，等. 增材制造 600 ℃ 高溫鈦合金研究進(jìn)展[J]. 航空材料學(xué)報(bào)，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.