引言

金属3D打印技术源于20世纪90年代的急剧成形工艺（rapidprototyping，，，rp），，，以“离散＋堆积”的增材制作理念作为基。，，利用高能粒子束溶解金属粉末，，，结合三维实体数 字模型逐层制备高机能近全致密金属零件[1]。粉末金属3D打印技术重要由激光溶解沉积成形技术（LMd）、、激光选区溶解成形技术（SLM）、、电子束选区溶解成形技术（SEBM）三种技术组成[2-5]。相比于精密铸造、、轧制铸造等传统工艺，，，3D打印技术优势在于：：：（1）高能粒子束瞬时温度可达数十万摄氏度，，，适于制备钛合金等难熔金属零件；；（2）属于近净成形技术，，，节俭机械加工功夫和削减金属废料，，，适于制备难加工、、难变形钛合金零件；；（3）增材制作技术理念，，，无需造型模具即可制备几何状态复杂的钛合金零件，，，不仅可能大幅缩短零件从设计到投产的出产周期，，，并且可能预防陶瓷同化传染；；（4）真空或惰性气体空气的制备环境，，，最大水平地预防氮、、氧等杂质气体对合金机能的影响；；（5）精确节制合金成分散布，，，适于制备双合金盘等职能梯度资料[6，，，7]。

钛合金拥有高比强度、、低热膨胀系数、、强耐侵蚀性、、优良的生物相容性等利益，，，在航空航天、、石油能源、、医疗器械、、海洋舰船等领域占有辽阔的利用，，，并已经形成产业化规模[8-11]。将金属3D打印技术利用于钛合金零件制备，，，不仅可能显著提高钛合金资料利用率，，，还能克服钛合金难熔难变形、、易受陶瓷坩埚和气体元素传染的工艺难点，，，因而拥有辽阔的利用远景。本文对粉末钛合金3D打印技术的制备道理、、成形件特点进行会商，，，并对近年来有关钻研进展进行总结，，，最后会商了粉末钛合金3D打印技术市场化近况及发展趋向。

1、、钛合金3D打印技术的钻研近况

1.1激光溶解沉积成形技术（LMD）

激光溶解沉积成形技术于20世纪90年代由美国Sandia国度尝试室和美国optoMEｃ公司合作开发。随后，，，全世界高：：：涂蒲谢瓜嗉谭⒄苟懒⒌淖暄泄ぷ鳎，，例如美国Sandia实 验室的激光净近成形技术（LEnS）[3]、、中国西北工业大学的激光立体成形技术（LSＦ）[12]、、英国曼彻斯特理工学院的激光直接沉积技术（dLd）[13]、、美国密西根大学和poM公司的金属直接沉积技术（dMd）[14]等。固然名称分歧，，，但是根基道理均是利用惰性气体输送金属粉末，，，再通过送粉器和粉末喷嘴将金属粉末荟萃于千瓦级激光束焦点处进行瞬时溶解，，，而后依照推算机模型自下而上地逐层堆积金属熔融层，，，最终直接打印出三维金属成形件，，，整个制备过程均处于惰性气体；；ぶ校，，工作道理示意图如图1所示[15]。

LMd重要参数蕴含激光功率、、扫描速度、、搭接率、、单层厚度、、送粉速度等，，，为了便于试验分析，，，引入线能量并将其界说为激光功率与扫描速度的比值，，，单元为Ｊ/MM。LMD以千瓦级激光器为能量源，，，熔池温度高，，，易形成粗壮的晶粒，，，在制备ti-22aL-25nB过程中，，，显微组织阐发为细针状魏氏体组织[16，，，17]。张霜银等[18]钻研批注线能量大于993Ｊ/MM时，，，晶粒出现等轴晶状态；；搭接率为40％时，，，成形件未见熔合不良景象；；单层厚度过小会造成重熔加深，，，导致层间组织粗壮。LMD钛合金组织拥有外延成长的个性，，，易形成贯通多个沉积层的柱状晶粒，，，显示出定向凝固特点。CarroLL等[19]制备的“十”字型Ti-6Al-4V合金成形件，，，初生β相沿竖直方向成长为细长的柱状晶粒，，，成形件拥有力学各向异性，，，其中横向伸长率显著高于纵向伸长率。Ｑiｕ等[20，，，21]钻研批注高激光功率和低送粉率可能最大水平地削减Ti-6Al-4V合金的孔隙率，，，通过后续热等静压处置可能促使马氏体α′相转变为片层状α＋β相，，，进而提高合金韧性、、解除力学机能的各向异性。TC11钛合金成形件沿垂直于激光抬升方向拥有高强度和低塑性的力学机能；；近β相钛合金Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1F的晶粒占有3种状态，，，别离为沉积层重叠区的大柱状、、顶部的小柱状和底部的等轴状[22-25]。表1列出分歧商标钛合金LMd成形件的力学机能。

1.2激光选区溶解沉积成形技术（SLM）

激光选区溶解成形技术最早于1995年由德国Ｆraｕ-ｈoｆEr[27]钻研所提出，，，该技术是在Ｃ.r.dEｃｈard[28]激光选区烧结成形技术（SELEｃtiｖELaSErSintEring，，，SLS）的基础上发展而成，，，两者的工艺道理根基一样，，，具体流程如下：：：扫描前，，，水平铺粉辊将金属粉末平铺在基板上；；激光束遵循三维概括数据选择特定区域进行粉末溶解，，，加工出当前层的概括；；而后通过可起落平台降落一个图层的厚度，，，粉辊在已加工好的前一图层上平铺金属粉末，，，节制法式调入下一图层数据进行加工，，，如此层层反复制备金属零件。整个过程均处于惰性空气；；ぶ校，，预防高温前提下钛合金与杂质气体产生反映，，，保障钛合金成形件的成分切合要求。

SLM工艺参数蕴含激光功率p、、扫描速度ｖ、、单层厚度t、、扫描间距ｈ、、扫描战术等，，，引入综合评定参数能量密度，，，单元为Ｊ/MM3。钻研批注[29，，，30]，，，低能量密度易在Ti-6Al-4V成形件顶部出现大量气孔和熔合不良点，，，显微组织以片层状α＋β相为主；；高能量密度易导致资料汽化而天生内嵌孔，，，显微组织以针状马氏体α′相为主。tｈiｊS等[31]钻研批注高能量密度推进铝元素偏聚在tＣ4合金熔池天堑，，，从而增大α2-ti3aL相含量。yadroitSEｖ等[32]利用ＣＣd相机光学监控系统观测到增长激光功率、、耽搁激光辐照功夫均会提高熔池的最高温度、、几何宽度和深度。此外，，，近年来学者将热等静压技术（Ｈip）与SLM技术配套使用，，，有效降低SLM成形件的孔隙率。钻研批注[33-38]，，，通过Ｈip处置，，，可能将孔隙率从沉积态的0.501％降低为热等静压态的0.012％，，，并能改善合金机能。图2为激光选区溶解成形示意图，，，表2列出了SLM钛合金成形件力学机能。

1.3电子束选区溶解成形技术（SEBM）

电子束选区溶解成形技术由瑞典ＣｈaLMErSＵniｖErSityoｆtEｃｈnoLogy与arｃaM公司在20世纪90年代初期共同开发，，，选取逐层铺粉溶解的方式制备金属零件，，，工艺流程与SLM类似，，，区别在于SEBM以电子束代替激光作为能量源，，，制备过程处于10^-3pa以上的高真空环境。电子束能量源拥有能量利用率高、、作用深度大、、金属反射小、、资料吸收率高档利益，，，成形效能显著高于SLM工艺；；高真空环境可能最大水平地降低空气中o、、n等间隙元素对资料的传染。

SEBM技术参数重要蕴含电子束电流、、焦点赔偿、、扫描速度、、加快电压等。SEBM技术制备的ti-48aL-2nB-2Ｃr合金显微组织占有板条状、、块状等多种状态的γ-tiaL相集束 [39]。

SEBM技术制备的ti-6aL-4Ｖ显微组织以片状α相为主，，，片层之间有少量β相[40]。Saｆdar等[41]试验批注SEBM技术制备的ti-6aL-4Ｖ的粗糙度ra值随成形件高度和光斑直径增长而增长，，，随扫描速度和焦点赔偿的减小而减小。ＫarLSSon等[42，，，43]选取SEBM制备的ti-6aL-4Ｖ成形件侧面附着有更多的未熔颗粒，，，顶面由于重熔效应而相对光滑。SEBM选取超高动能电子束高速轰击金属球形粉末，，，如图3所示，，，当电子束部门动能直接转化为粉末动能时，，，容易引发粉末溃散景象，，，即粉末颗；；岜坏缱邮巴瓶倍纬纱斗劬跋骩44]。目前，，，预防炊粉的根基准则是提高粉床的不变性，，，从而克服电子束推力，，，措施蕴含：：：选择合适的粉末粒度和流动性、、预热粉末和基板、、优化电子束扫描战术。ＨraBE等[46]预先加热基板从而有效预防粉末溃散景象，，，并获得显微组织均匀、、力学机能相近的分歧高度成形件。表3为分歧SEBM钛合金成形件的力学机能，，，批注SEBM钛合金依然拥有力学各向异性。

2、、粉末钛合金3D打印利用进展

近年来，，，3D打印设备和金属粉末制备技术的持续发展，，，不休推动3D打印粉末钛合金成形件在医疗、、航空航天等领域的市场化利用。表4对比钻研了LMD、、SLM、、EBM三种3D打印技术的参数特点。LMD设备利用千瓦级激光器，，，成形效能高，，，易于获得全致密的显微组织，，，通常情况下用于制备大尺寸钛合金结构件，，，例如，，，2001年美国aEroMEt公司的钛合金翼根吊环、、近几年国产大客机Ｃ919的钛合金中央翼梁和歼31的主承力钛合金加强框构件。但是，，，成形件尺寸精度低、、机加工余量大、、高功率激光易氧化是制约LMD技术进 一步发展的重要成分。SLM设备光斑直径小、、单层厚度低、、粉末粒度。，，因而拥有最优的理论质量，，，适于制备多孔资料、、几何结构复杂的小型钛合金部件等净成形零件，，，如图4所示。但是，，，SLM成形效能低、、金属粉末成本高昂是该工艺亟待解决的技术难点。SEBM设备能力介于LMD与SLM两者之间，，，既有较好的理论质量，，，又有较高的成形效能，，，是目前医疗领域、、航空领域的重要制备技术，，，如图5所示。表5列出了分歧3D打印设备的成形件尺寸和能量源功率，，，能够看到，，，SLM和SEBM的设备能量源功率和成形件尺寸均小于LMD设备，，，因而，，，LMD具备打印大型成形件的能力。图6为近年来金属粉末3D打印设备研发进展情况，，，能够看到高功率能量源的研发不再是设备的重要关注点，，，反而大尺寸成形件、、高精度光斑、、恒定能量源是将来3D打印设备的重要发展趋向。

3、、结语

粉末钛合金3D打印技术作为一项新型的钛合金制作技术，，，适于制备高熔点、、难变形、、高活性的钛合金近净成形件，，，近年来迅速成为世界钛合金制作业的钻研热点。目前，，，国内 粉末钛合金3D打印技术尚处于低级贸易化阶段，，，将来亟待解决的问题蕴含：：：（1）高品质球形钛合金粉末出产设备及工艺研发，，，代替目前价值高昂的进口钛合金粉末；；（2）成立3D打印钛合金技术尺度，，，蕴含尺度显微组织、、热处置工艺、、热等静压后处置等方面，，，充分阐扬3D打印钛合金的综合机能；；（3）美满钛合金3D打印技术的成本核算系统，，，着力启发“投入-产出比”较高的领域；；（4）进一步研发高成形精度、、低理论粗糙度、、高成形效能的贸易级金属3D打印设备。将来，，，随着技术钻研的不休堆集和贸易模式的持续改善，，，粉末钛合金3D打印技术的产业化利用必将成为钛合金制作业发展的重要推力和全新增长点。

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