钛及钛合金具有比强度高、高温力学性能和抗蠕变性能好、耐侵蚀性能好等优良的综合性能，，，，，，，被以为是继铝材、钢铁之后处于生长中的“战略金属”和“第三金属”[1-3]，，，，，，，在航空、航天、武器、化工、船舶等行业受到普遍重视[4-5]。。。。。。。。

钛合金由于具有优异的物理及化学性能，，，，，，，被以为是最适合制备成粉末的金属质料，，，，，，，因此基于模子切片分层制造原理的激光三维打。。。。。。。。═hree Dimensional Printing，，，，，，，简称3D打。。。。。。。。┦忠粘晌恢种苯又圃祛押辖鹆慵的新型手艺。。。。。。。。3D打印是基于离散-群集原理，，，，，，，使用CAD软件天生的三维实体模子，，，，，，，通过STL名堂的分层软件驱动模浚？？？？椋，，，，，凭证每个层的二维数据控制激光、等离子、电子束和电弧等作用于粉末、液体或丝材，，，，，，，加工出所需要形状和尺寸的薄层，，，，，，，并逐层累积成实体模子的制造手艺。。。。。。。。3D打印手艺突破了古板“减材制造”依赖多工序团结制造的方法，，，，，，，可快速细密地制造恣意重大形状的零件，，，，，，，实现真正“自由制造”。。。。。。。。近年来，，，，，，，天下各国对钛合金3D打印手艺举行了大宗研究，，，，，，，本文将对这些研究做一总结。。。。。。。。

1 、3D打印成形钛合金构件缺陷剖析

3D打印手艺制备钛合金时，，，，，，，若是工艺参数选择不当，，，，，，，工件容易泛起气孔、球化、熔合不良以及裂纹等缺陷。。。。。。。。

1.1 气孔缺陷

气孔缺陷的形态主要有球形[6]、椭球形、类球形、长条形和针孔形，，，，，，，如图1所示。。。。。。。。气孔缺陷对构件成形的致密度和力学性能等保存直接影响，，，，，，，大大降低实体构件的适用性能。。。。。。。。薛蕾[7]以为气孔缺陷形成的缘故原由是由水分引起的。。。。。。。。若是粉末中含有水分，，，，，，，当水分受到激光加热就会形成大宗的气体，，，，，，，离熔池外貌较量近的部分会逸出来，，，，，，，但由于激光熔凝历程很是浚？？？？欤，，，，，另外一部分气体来缺乏逸出便被“包裹”在金属中；；；；；；；另外由于粉末安排时也会吸附一些气体，，，，，，，在激光熔凝历程中同样会爆发上述情形，，，，，，，形成气孔。。。。。。。。文艺[6]视察了激光束成形和电子束成形TC18钛合金气孔周围和远离气孔的组织，，，，，，，发明气孔类缺陷对周围组织形态无显着影响，，，，，，，无论是气孔周围组织照旧远离气孔的组织均为网篮组织。。。。。。。。张凤英[8]剖析了松装密度对3D打印钛合金的气孔密度的影响，，，，，，，如图2所示，，，，，，，效果批注：随着粉末松装密度的增大，，，，，，，成形件内部气孔率逐渐降低，，，，，，，因此，，，，，，，可以通过控制制粉工艺提高粉末松装密度，，，，，，，来镌汰或消除气孔。。。。。。。。

1.2 球化缺陷

球化是3D打印构件中保存的一种内在缺陷，，，，，，，该缺陷主要的危害有两个方面：一方面导致金属件组织内部保存孔隙，，，，，，，大大降低成形件的力学性能并增添了外貌粗糙度；；；；；；；另一方面，，，，，，，凝固后的金属球影响下一层的铺粉情形，，，，，，，且铺粉辊又会与前一层所爆发的金属球相互摩擦，，，，，，，不但会破损成形件的外貌质量，，，，，，，并且当他们之间摩擦很是大时，，，，，，，铺粉辊将无法前进，，，，，，，终止成形历程。。。。。。。。

Sallica等[9]视察了用激光选区熔化成形要领制备的成形件TC4合金的微观组织，，，，，，，发明熔融金属的外貌能由于过高的激光功率而减。。。。。。。。，，，，，从而爆发了球化征象。。。。。。。。陈洪宇[10]研究了影响球化效应的因素，，，，，，，他发明球化征象与激光能量密度η有关，，，，，，，η的增大会爆发球化倾向，，，，，，，一直前进的液相前沿泛起金属球化物，，，，，，，引起球化效应。。。。。。。。

1.3 熔合不良

钛合金3D打印历程中，，，，，，，若是工艺参数控制不当，，，，，，，就会使各熔覆层之间未形成致密冶金团结而爆发熔合不良缺陷。。。。。。。。薛蕾[11]通过实验发明，，，，，，，3D打印TC4钛合金泛起的熔合不良缺陷（图3）与熔池“吞噬”粉末的能力有关。。。。。。。。温度较低的固态粉末颗粒进入熔池后对熔池具有冷却作用，，，，，，，减小了熔化深度，，，，，，，效果造成层间熔合不良或修复区与基体熔合不良。。。。。。。。影响层间熔合不良的最大因素是搭接率[11]，，，，，，，搭接率太。。。。。。。。，，，，，由于道与道的重叠区域能量密度低，，，，，，，搭接区熔合不良而泛起凹陷，，，，，，，使得外貌精度较差。。。。。。。。调解修复工艺，，，，，，，例如提高激光功率，，，，，，，降低光束移动速率，，，，，，，层间熔合不良缺陷消逝。。。。。。。。

1.4 裂纹缺陷

由于3D打印手艺是快速熔化快速凝固的历程，，，，，，，因此成形质料与基体之间一定会由于热膨胀系数、温度等的差别而爆发很大的剩余应力，，，，，，，剩余应力的保存导致裂纹的爆发与扩散，，，，，，，如图4所示[12]。。。。。。。。周旭[13]研究了近α钛合金激光选区熔化成形开裂机理，，，，，，，发明由于空气附着在钛合金外貌上，，，，，，，高温下与钛合金反应天生Ti₃O、TiO[8]，，，，，，，这些化合物积累在一起，，，，，，，形成裂纹源。。。。。。。。他同时提出，，，，，，，在钛合金激光选区熔化成形历程中先举行预热，，，，，，，降低温度梯度，，，，，，，同时在成形后保温及缓冷，，，，，，，可释放试样中的剩余应力，，，，，，，从而有用抑制裂纹的爆发。。。。。。。。

2、 热处置惩罚工艺对3D打印钛合金组织和性能的影响

由于3D打印成形获得的是快速熔化-凝固组织，，，，，，，而这一历程会在构件内部爆发较大的剩余应力，，，，，，，因此必需通过热处置惩罚来消除剩余应力，，，，，，，并且热处置惩罚还可以进一步细化组织，，，，，，，从而改善构件的力学性能、消除因素偏析[14]。。。。。。。。由于3D打印获得的钛合金组织与古板铸造、铸造组织保存较大差别，，，，，，，经由古板的热处置惩罚工艺并不可使3D打印的钛合金获得令人知足的力学性能。。。。。。。。因此，，，，，，，优化3D打印钛合金热处置惩罚工艺获得的更好力学性能尤为主要。。。。。。。。

热处置惩罚工艺参数对3D打印钛合金的组织、性能保存较大影响。。。。。。。。以最常见的α+β型TC4合金为例，，，，，，，3D打印TC4钛合金后，，，，，，，其显微组织主要由β相组成，，，，，，，该组织从高温区冷却后，，，，，，，坚持原始晶界，，，，，，，晶内主要由针状或片状的魏氏组织和网篮组织组成，，，，，，，对其举行热处置惩罚后，，，，，，，将获得差别的组织结构。。。。。。。。孙小燕[15]研究了差别固溶与时效热处置惩罚方法对3D打印制备的TC4合金组织及性能的影响。。。。。。。。从图5中三种差别热处置惩罚状态下的TC4合金金相组织可以看出，，，，，，，三种组织保存很大差别，，，，，，，划分为α固溶体和β固溶体的混淆组织、网篮组织和双态组织。。。。。。。。其中，，，，，，，网篮组织的高温蠕变性能以及强度、塑性均较好，，，，，，，而双态组织的塑性低、强度较高。。。。。。。。Chandramohan[16]发明循环热处置惩罚工艺可以改变3D打印TC4钛合金的尺寸、取向和相的数目，，，，，，，且晶粒取向在<1010>和<0001>之间可以获得较好的伸长率和强度。。。。。。。。由于3D打印的成形特征，，，，，，，其构件内部会爆发较大的剩余应力。。。。。。。。为了消除剩余应力，，，，，，，马瑞鑫[17]对3D打印TC4钛合金做了正火处置惩罚，，，，，，，并剖析了差别正火温度对性能的影响，，，，，，，如表1所示。。。。。。。。从表中可以看出，，，，，，，试样的拉伸性能随着正火温度的升高逐渐增强；；；；；；；当正火条件为990℃/2 h空冷时，，，，，，，其室温拉伸性能最优，，，，，，，其中拉伸强度、屈服强度及伸长率凌驾了锻件的国标要求。。。。。。。。

近β型钛合金与α+β型钛合金差别，，，，，，，由于在高温时具有很好的稳固性，，，，，，，使得该型钛合金纵然在β相区加热较长的时间，，，，，，，也不会泛起显着的晶粒长大。。。。。。。。Zhu[18]较量了TC17合金在α+β两相区和β相区退火的组织和性能，，，，，，，以及差别保温时间对组织和性能的影响，，，，，，，效果发明将3D打印的TC17合金在840 ℃下退火，，，，，，，会使α相的晶界变得粗大，，，，，，，并且天生了次生α相，，，，，，，若是将温度升高到900 ℃，，，，，，，所有的α相均转化为β相，，，，，，，且合金因素漫衍匀称。。。。。。。。另外，，，，，，，Liu[19]的研究显示，，，，，，，用古板锻态质料常用的标准三级热处置惩罚方法（图6）并不可使3D打印制备的Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe获得令人知足的强度和延展性，，，，，，，这是由于β晶界处仍然保存一连的α相。。。。。。。。而经由近β转变温度下三级热处置惩罚（图6）的试样，，，，，，，其断裂方法转变为穿晶断裂，，，，，，，强度和延展性获得了很大的提高。。。。。。。。

Li[20]的研究批注，，，，，，，时效温度和时效时间对3D打印的TA15合金的硬度有很大影响，，，，，，，如图7所示。。。。。。。。通过比照发明，，，，，，，在650～700℃之间举行等温时效，，，，，，，且时效时间为120 min，，，，，，，可以提高零件的强度。。。。。。。。

3、 钛合金3D打印手艺在航空领域的研究希望

3.1 外洋研究希望

2001年，，，，，，，AeroMet公司[21]接纳 3D 打印手艺为Boeing 公司舰载机试制了钛合金次承力结构件，，，，，，，如图8所示。。。。。。。。该铸件尺寸为900 mm×300 mm×150 mm，，，，，，，是航空翼根吊环，，，，，，，已于2002年装机应用。。。。。。。。2002-2005 年之间，，，，，，，AeroMet 公司[22]通过Lasform工艺系统制备了大型整体增强筋板钛合金发念头框，，，，，，，其尺寸达2 400 mm×225 mm×100 mm。。。。。。。。意大利AVIO公司使用电子束熔炼手艺（EBM）制备出了钛铝合金发念头叶片，，，，，，，比古板的镍基合金轻50%。。。。。。。。Sciaky公司团结 Boeing和LockheedMartin公司开展了 EBF 研究，，，，，，，主要致力于大型航空金属零件的制造，，，，，，，制备的钛合金零件尺寸达5 800 mm×1 200 mm×1 200 mm[23]。。。。。。。。现在，，，，，，，Sciaky公司成形钛合金件的最大速率可达18 kg/h，，，，，，，力学性能知足MS4999标准要求。。。。。。。。图 9所示为Sciaky公司的大型航空钛合金零件。。。。。。。。2017年3月，，，，，，，空客公司在其客机上装置了首个由3D 打印制造的主航行控制液压元件（图10），，，，，，，并于 3月 30 日顺遂完成首次航行测试。。。。。。。。

3.2 海内研究希望

2007年，，，，，，，北京航空航天大学突破了飞机钛合金大型、主承力结构件激光3D打印要害手艺，，，，，，，研制出天下最大飞机钛合金大型结构件激光快速成形工程化成套装备，，，，，，，成形室尺寸为4 000 mm×3 000 mm×2 000 mm。。。。。。。。通过恒久深入研究，，，，，，，北京航空航天大学研制了 TA15、TC4、TC11等大型、重大、整体、主承力飞机钛合金增强框及A-100超高强度钢飞机升降架等要害构件，，，，，，，并实现了包括C919大型客机在内的多种型号飞机上的装机应用，，，，，，，使我国成为天下上唯一突破飞机钛合金大型整体主承力构件激光3D打印手艺并实现装机应用的国家[24]。。。。。。。。图11所示为北京航空航天大学研制的某型号飞机“眼镜式”钛合金大型、重大、整体、主承力构件增强框。。。。。。。。2012年，，，，，，，西北工业大学与中国商飞公司团结使用3D打印机制造了大飞机C919的中央翼缘条，，，，，，，尺寸为3 000 mm×350 mm×450 mm，，，，，，，质量196 kg，，，，，，，并通过了中国商飞公司的性能测试[25]。。。。。。。。西北工业大学还用3D 打印手艺制备了轴承座后机匣、超音速航行器偏向舵、重大内部结构零件等构件，，，，，，，图12为航空发念头轴承后机匣。。。。。。。。2016年，，，，，，，航天科工三院306所手艺职员乐成突破 TA15和 Ti2AlNb异种钛合金质料梯度过渡复合手艺，，，，，，，其接纳激光3D打印试制出具有大温度梯度一体化钛合金结构进气道试验件，，，，，，，并顺遂通过了力热团结试验。。。。。。。。2018年，，，，，，，昆明理工大学使用激光选区熔融手艺乐成打印出了尺寸为250 mm×250 mm×257 mm的超大型重大钛合金零件，，，，，，，这是迄今为止使用激光选区熔融要领成形的最大单体钛合金重大零件。。。。。。。。

4 、展望

钛合金3D打印手艺改变了人们对古板钛合金加工方法的熟悉，，，，，，，可是作为一项新型的制造手艺仍然保存许多问题，，，，，，，例如：3D打印手艺关于大尺寸零件的制造效率依然偏低；；；；；；；在成形历程中保存气孔、球化、熔合不良以及裂纹等缺陷；；；；；；；在快速加热和快速冷却历程中，，，，，，，零件内部爆发较大的剩余应力。。。。。。。。因此，，，，，，，钛合金3D打印手艺的生长需要科研院校和机构的配合起劲，，，，，，，镌汰内部缺陷，，，，，，，使得钛合金3D打印手艺向着本钱低、 稳固性好及工业化和多领域的偏向生长。。。。。。。。

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