2018年2月第13卷第1期
失效分析与预防
February ,2018
Vol. 13,No. 1增材制造大型钛合金横梁缺陷分析
高翔宇u’3’4,高祥熙u’4,姜涛1’2’3’4,何玉怀口’3’4
(1.中国航发北京航空材料研究院，北京100095; 2.航空工业失效分析中心，北京100095;
3.航空材料检测与评价北京市重点实验室，北京100095;
4.材料检测与评价航空科技重点实验室，北京100095)
[摘要]增材制造大型TG4钛合金横梁成形完成后进行缺陷检查，通过超声检测对梁缺陷的尺寸和位置进行检测，然后通 过线切割对相应位置进行取样，磨制拋光后利用体视显微镜、金相显微镜、扫描电镜和能谱检测仪的手段，分别对缺陷类型 及形貌进行分析统计，对缺陷附近组织、缺陷内部形貌进行观察分析，对夹杂物成分进行能谱检查，分析得出缺陷类型和形 成原因。结果表明:TG4钛合金横梁的孔洞缺陷为熔合不良造成，与成形过程中局部出现搭接率和和Z轴单层行程A Z匹配 不良的情况有关;夹杂缺陷为氧化物夹杂，是由于熔覆环境受到一定程度的氧气污染，合金熔滴表面反应生成氧化皮夹杂嵌 人基体，氧气的存在同时影响熔合不良孔洞附近组织，使其出现a相增多和富氧a层的现象。
[关键词]钛合金；增材制造；电子束熔融沉积；熔合不良；夹杂；富氧a层
[中图分类号]TG146.23 [文献标志码]A doi：10. 3969/j. issn. 1673-6214. 2018.01.008
[文章编号]1673-6214(2018)01-0043-06
Defects Analysis of Large Additive Manufacturing Beam of Titanium Alloy GAOXiang-yu1，2,3,4’GAOXiang-xi1，3,4’JIANGTao1，2,3,4’HEYu-huai1，2,3,4
(1. AECC Beijing Institute of A eronautical Materials’Beijing 100095, China；
2. Failure Analysis Center of A viation Industry Corporation of China’Beijing 100095’China；
3. Beijing Key Laboratory of A eronautical Materials Testing and Evaluation’Beijing 100095’China；
4. Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Materials Testing and Evaluation’Beijing 100095’China) Abstract：After forming’TC4 Titanium alloy additive manufacturing beams were inspected for defects. Defect size and position were tested by ultrasonic inspection and samples were cut down by WEDM. Afterwards, samples were prepared for metallographic analysis. The types and morphology of defects were tested and analyzed by stereoscopy, OM, SEM and EDS analysis. Besides’the micro-morphology near defects was observed and the chemical composition of inclusions was tested by EDS. The results show that the hole defects of titanium alloy beams resulted from poor fusion,which was caused by the mismatch between overlap ratio and Z increment. The inclusion defects are oxide inclusions. The forming environment was polluted by oxygen ’so the surface of high temperature molten drop reacted with oxygen’leading to oxide skins’which then were embedded in the beam body. Besides, the micro-structure near poor fusion areas was also influenced by oxygen,where a phase increased and oxygen-rich a layers formed.
Key words：titanium alloy；additive manufacturing;EBFF；poor fusion；inclusion；oxygen-rich a layer
〇引言
钛合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀、耐高 温、可焊接、使用温度范围宽（-269?600 °C)等 优异性能，在航空领域得到广泛的应用。钛合金
在航空发动机上主要用于压气机叶片、叶盘等，在
飞机结构上主要用于飞机襟翼滑轧、中翼盒形梁、起落架梁、承力隔框等受力结构件中[1]。然而，钛合金的工艺性能差，切削加工困难，抗磨性差，在热加工中又非常容易吸收H、O、N和C等杂 质，生产工艺复杂,严重制约其发展空间[2]。自从上世纪90年代以来，增材制造成形技术的出现 和迅速发展力图解决这一问题。增材制造技术以 快速原型技术和高能量热源熔覆技术为基础，利 用“离散/堆积”的制造思想，同时将仅在零件表
[收稿日期]2017年12月25日[修订日期]2018年1月19日
[作者简介]高翔宇（990年-)男，硕士，主要从事金属失效分析与损伤评价等方面的研究。
金属材料激光增材制造技术 孙峰、李广生 金属材料增材制造技术是通过对CAD模型进行离散处理，以金属粉末、颗粒、金属丝材等为原材料，采用高功率激光束熔化/快速凝固逐层堆积生长，直接从零件数模完成高性能零件的近终成形制造。 金属材料增材制造技术，可分为以送粉为技术特征的激光沉积制造（Laser Deposition Melting，LDM）技术和以粉床铺粉为技术特征的选区激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）技术。 LDM技术是快速成形技术和激光熔覆技术的有机结合，是以金属粉末为原材料，以高能束的激光作为热源，根据成形零件CAD模型分层切片信息规划的扫描路径，将送给的金属粉末进行逐层熔化、快速凝固、逐层沉积，从而实现整个金属零件的直接制造。 LDM系统主要包括：激光器及光路系统、水冷机及冷却系统、数控机床系统、送粉器及送粉系统、惰性气体保护系统、激光熔化沉积腔及工艺监控系统等。 图1LDM激光沉积制造技术 LDM技术集成了快速成形技术和激光熔覆技术的特点，具有以下优点： （1）无需大型设备与模具，零件近净成形，材料利用率高；工艺流程、制造周期短，制造成本低； （2）零件无宏观偏析，组织细小、致密，力学性能达到锻件水平； （3）成形尺寸不受限制，可实现大尺寸零件的制造； （4）激光束能量密度高，可实现难熔、难加工材料的近净成形； （5）可对失效和受损零件实现快速修复，并可实现定向组织的修复与制造。 主要缺点： （1）制造成本较高；
（2）制造效率较低； （3）制造精度较差，悬臂结构需要添加相应的支撑结构。 SLM技术是以快速原型制造技术为基本原理发展起来的先进激光增材制造技术。通过专用软件对零件三维数模进行切片分层，获得各截面的轮廓数据后，利用高能激光束根据轮廓数据逐层选择性地熔化金属粉末，通过逐层铺粉，逐层熔化凝固堆积的方式，实现三维实体金属零件制造。 SLM系统主要由激光器及光路系统、气体净化系统、铺粉系统、控制系统4部分组成。 图2SLM激光选区熔化制造技术 SLM技术具有以下优点： （1）原材料范围广，包括不锈钢、高温合金、钛合金、钴-铬合金及难熔金属等； （2）成形零件精度高，表面稍经打磨、喷砂等简单后处理即可达到使用精度要求； （3）复杂零件制造工艺简单，周期短，材料利用率高； （4）成形零件的力学性能良好，一般力学性能优于铸件，与锻件相当； （5）适合多孔零件的制造，实现零件的轻量化的需求。 主要缺点： （1）层厚和光斑直径很小，导致成形效率很低；
2018年2月第13卷第1期 失效分析与预防 February ,2018 Vol. 13,No. 1增材制造大型钛合金横梁缺陷分析 高翔宇u’3’4,高祥熙u’4,姜涛1’2’3’4,何玉怀口’3’4 (1.中国航发北京航空材料研究院，北京100095; 2.航空工业失效分析中心，北京100095; 3.航空材料检测与评价北京市重点实验室，北京100095; 4.材料检测与评价航空科技重点实验室，北京100095) [摘要]增材制造大型TG4钛合金横梁成形完成后进行缺陷检查，通过超声检测对梁缺陷的尺寸和位置进行检测，然后通 过线切割对相应位置进行取样，磨制拋光后利用体视显微镜、金相显微镜、扫描电镜和能谱检测仪的手段，分别对缺陷类型 及形貌进行分析统计，对缺陷附近组织、缺陷内部形貌进行观察分析，对夹杂物成分进行能谱检查，分析得出缺陷类型和形 成原因。结果表明:TG4钛合金横梁的孔洞缺陷为熔合不良造成，与成形过程中局部出现搭接率和和Z轴单层行程A Z匹配 不良的情况有关;夹杂缺陷为氧化物夹杂，是由于熔覆环境受到一定程度的氧气污染，合金熔滴表面反应生成氧化皮夹杂嵌 人基体，氧气的存在同时影响熔合不良孔洞附近组织，使其出现a相增多和富氧a层的现象。 [关键词]钛合金；增材制造；电子束熔融沉积；熔合不良；夹杂；富氧a层 [中图分类号]TG146.23 [文献标志码]A doi：10. 3969/j. issn. 1673-6214. 2018.01.008 [文章编号]1673-6214(2018)01-0043-06 Defects Analysis of Large Additive Manufacturing Beam of Titanium Alloy GAOXiang-yu1，2,3,4’GAOXiang-xi1，3,4’JIANGTao1，2,3,4’HEYu-huai1，2,3,4 (1. AECC Beijing Institute of A eronautical Materials’Beijing 100095, China； 2. Failure Analysis Center of A viation Industry Corporation of China’Beijing 100095’China； 3. Beijing Key Laboratory of A eronautical Materials Testing and Evaluation’Beijing 100095’China； 4. Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Materials Testing and Evaluation’Beijing 100095’China) Abstract：After forming’TC4 Titanium alloy additive manufacturing beams were inspected for defects. Defect size and position were tested by ultrasonic inspection and samples were cut down by WEDM. Afterwards, samples were prepared for metallographic analysis. The types and morphology of defects were tested and analyzed by stereoscopy, OM, SEM and EDS analysis. Besides’the micro-morphology near defects was observed and the chemical composition of inclusions was tested by EDS. The results show that the hole defects of titanium alloy beams resulted from poor fusion,which was caused by the mismatch between overlap ratio and Z increment. The inclusion defects are oxide inclusions. The forming environment was polluted by oxygen ’so the surface of high temperature molten drop reacted with oxygen’leading to oxide skins’which then were embedded in the beam body. Besides, the micro-structure near poor fusion areas was also influenced by oxygen,where a phase increased and oxygen-rich a layers formed. Key words：titanium alloy；additive manufacturing;EBFF；poor fusion；inclusion；oxygen-rich a layer 〇引言 钛合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀、耐高 温、可焊接、使用温度范围宽（-269?600 °C)等 优异性能，在航空领域得到广泛的应用。钛合金 在航空发动机上主要用于压气机叶片、叶盘等，在 飞机结构上主要用于飞机襟翼滑轧、中翼盒形梁、起落架梁、承力隔框等受力结构件中[1]。然而，钛合金的工艺性能差，切削加工困难，抗磨性差，在热加工中又非常容易吸收H、O、N和C等杂 质，生产工艺复杂,严重制约其发展空间[2]。自从上世纪90年代以来，增材制造成形技术的出现 和迅速发展力图解决这一问题。增材制造技术以 快速原型技术和高能量热源熔覆技术为基础，利 用“离散/堆积”的制造思想，同时将仅在零件表 [收稿日期]2017年12月25日[修订日期]2018年1月19日 [作者简介]高翔宇（990年-)男，硕士，主要从事金属失效分析与损伤评价等方面的研究。
在上个世纪，增材制造( Ad di ti ve M a nu fa ct ur in g，A M) 的 概念得到了显著的发展。依据美国试验材料学会(A me ric a n S o ci et y f or Te sti n g a nd Ma te ri als，A ST M) 的定义: 增材制造技术不同于传统的减法加工过程，是基于材料的增量制造，利用3D数据模型，将材料一层一层连接起来制造物体的过程。由于增材制造技术具有设计和制造一体化、加工精度高、制造周期短，产品物理化学性能优异等特点，美国《时代周刊》将增材制造列为“美国十大增长最快的工业”，英国《经济学人》杂志则认为它将“与其他数字化生产模式一起推动实现第三次工业革命”。 金属材料增材制造技术作为整个增材制造体系中最具前沿和难 度的技术，是先进制造技术的重要发展方向。对于金属材料增材制造技术，按照热源类型的不同主要可分为激光增材制造、电子束增材制造、电弧增材制造等。其中激光增材制造(L ase r A d di ti ve M an uf act u ri ng，LA M) 技术是一种兼顾精确成形和高性能成形需求的一体化制造技术，也是目前金属增材制造最可靠和可行的方法。国内外增材制造的研究也主要集中在激光增材制造技术，本文在总结增材制造的发展历史基础上，重点介绍了激光增材制造的原理、激光选区熔化成形技术和直接沉积技术的发展现状，为激光增材制造在国内各个领域的应用提供支持。一、增材制造的发展历史 1983 年，美国科学家查尔斯·胡尔(Ch ar le s Hu ll) 发明光固化成形技术( st ere o l it ho gr ah y App e ar an ce，SL A) 并制造出全球首个增材制造部件。1986 年，查尔斯·胡尔获得了全球第一项增材制造专利，同年成立3D S ys t em s公司。1987 年，3D S y st em s 发布第一台商业化增材制造设备-快速成型机立体光刻机SL A-1，全球进入增材制造时代。1986年，美国的M i ch ae l F e yg in，首次提出了分层实体制造( L a mi na te d Ob je ct M a nu fa ct ur in g，LO M) 技术。1988年，美国S tr at asy s 公司首次提出熔融沉积成型技术( F us ed D epo s it io n M od el in g，F DM) 。1989 年，美国德克萨斯大学奥斯汀分校的De ck ar d 提出激光 选区烧结( Se le ct i ve L as er S in te r i ng，SL S) 。1995年， 德国Fr au-ho fe r 应用研究促进协会IL T 激光技术研究所的 D r.W il-he lm M ein e rs 等在金属粉末选择性烧结基础上提出激光选区熔化成形技术( S el ec ti ve L as e r M el ti ng，S LM) 。1998 年，美国Sa nd ia 国立实验室将选择性激光烧结工艺SL S 和激光溶覆工艺( La ser Cl ad di ng) 相结合提出激光工程化净成型(L a s e r E n g i n e e r e d N e t S h a p i n g，L E N S)。1990年至现在，增材制造技术实现了金属材料的成型，进入了直接增材制造阶段，相距出现了电子束选区熔化(E BSM)、电子束自由成形制造技术( El ec tr on B eam Fr ee- fo rm Fa br i ca ti on，EB F)、等离子增材制造技术(I on Fu s io n Fo r ma ti on，I F F) 电弧增材制造( Wi r e A r c A dd it iv e Ma nuf a ct ur e，WA AM)等一系列制造工艺。2013年，美国麻省理工大学研发了四维打印技术( Fo ur D i- m ens i on al
［综述·专论］ DOI ：10．3969/j．issn．1005－2895．2019．02．001 收稿日期：2018- 08-10；修回日期：2018-10-23基金项目：国家自然科学基金资助项目（051601110）；上海市“创新行动计划”基础研究领域项目（17JC1400600）；上海市“创新行动计划” 基础研究领域项目（17JC1400601）。第一作者简介：张世凯（1992），男，山东德州人，硕士，主要从事金属增材制造方面的研究工作。通信作者：马盼（1986），女，山东泰安人， 副教授，硕士生导师，博士，主要从事金属增材制造/金属非平衡凝固方面的研究工作。E-mail ：mapan@sues．edu．cn 增材制造钛合金微观组织及性能研究进展 张世凯1 ，马 盼 1，2* ，柯林达3，马永超4，赵健1，2，于治水1，2，杨尚磊 1，2 （1．上海工程技术大学材料工程学院，上海201620；2．上海市激光先进制造技术协同创新中心，上海201600； 3．上海航天精密机械研究所，上海201600；4．山推工程机械股份有限公司，山东济宁272073） 摘 要：随着增材制造技术的不断进步，增材制造能够快速成型精密复杂的结构部件。为了使增材制造Ti6Al4V 合金能 够更好地被应用，国内外学者研究了基板预热、激光功率、扫描速率以及后续的处理等多种因素对于增材制造Ti6Al4V 合金微观组织和力学性能的影响，发现选择适当的工艺参数及后处理能够提高其综合力学性能。目前，增材制造钛合金在微观结构上还存在一定的缺陷，结构件内的微小气孔以及未融化颗粒等因素阻碍着其力学性能的提高。未来在解决组织缺陷的同时，增材制造钛合金构件的应用也将是今后研究工作方向之一。关 键 词：增材制造；Ti6Al4V 合金；基板预热；激光功率；扫描速率；微小气孔；未融化颗粒 中图分类号：TF124 文献标志码：A 文章编号：1005－2895（2019）02－0001－05 Microstructure and Properties of Ti6Al4V Alloy Fabricated with Additive Manufacturing ZHANG Shikai 1，MA Pan 1，2* ，KE Linda 3，MA Yongchao 4， ZHAO Jian 1，2，YU Zhishui 1，2，YANG Shanglei 1， 2 （1．School of Materials Engineering ，Shanghai University of Engineering Science ，Shanghai 201620，China ；2．Shanghai Collaborative Innovation Center of Laser Advanced Manufacturing Technology ，Shanghai 201600，China ； 3．Shanghai Spaceflight Precision Machinery Institute ，Shanghai 201620，China ；4．Shantui Construction Machinery Co．，Ltd．，Jining ，Shandong 272073，China ） Abstract ：The continuous development of additive manufacturing technology enables rapid prototyping of complex structural components．To make the additive manufacturing Ti6Al4V alloy better applied ，the effects of substrate preheating ，laser power ，scanning rate and subsequent processing on the microstructure and mechanical properties of Ti6Al4V alloy were studied by domestic and foreign scholars．It was found that the selection of appropriate process parameters and post-treatment can improve the comprehensive mechanical properties．At present ，the microstructure of titanium alloy has certain defects ，the micropores and unmelted particles in the components hinder the improvement of mechanical properties．In the future ，while solving microstructure defects ，the application of additive manufacturing titanium alloys components will be one of the future research directions． Keywords ：additive manufacturing ；Ti6Al4V alloy ；substrate preheating ；laser power ；scanning rate ；micropores ；unmelted particles 1钛合金概述 钛合金是以钛为基体加入其他合金元素而构成的 有色合金， 钛合金中常用的合金元素有铝、锡、钒、钼、铬、铁、硅及铜等。钛合金因密度小、比断裂韧性高、耐 热性好、 疲劳强度和抗裂纹扩展能力好、韧性及抗腐蚀能力强被广泛关注并获得大量应用 ［1］ 。其中Ti6Al4V 第37卷第2期2019年4月轻工机械 Light Industry Machinery Vol．37No．2Apr．2019
国内电弧增材制造技术的研究现状与展望 摘要：本文简述了电弧（电熔）增材制造技术特点、优势和发展历史，详细分 析了国内在电弧增材制造工艺、质量控制、电弧增材制造材料性能三方面的研究 情况，并基于目前的研究现状，提出了电弧增材制造技术在制造工艺、质量控制 和材料性能三方面研究的建议。 关键词：电弧增材制造，研究现状，展望 1引言 增材制造，是一种新型的金属“降维”制造工艺，通过对三维数字模型进行分 层切片处理，再按照预先规划好的路径将材料逐层累加的制造方式，是一种自下 而上，化零为整的制造方法，在复杂结构零部件制造方面有很大优势。电弧增材 制造(Arc welding additive manufacturing，简称WAAM)技术，也称为电熔增材制造 技术（Electrical additive manufacturing，简称EAM ）是采用电弧为热源的增材制 造技术，通过熔化金属丝材或粉末，逐层堆积出金属零部件的制造方法，具有丝 材利用率高、生产效率高，成本底，零件的尺寸不受成形缸或真空室的限制，易 于修复零件等优点。和传统的铸造、锻造技术相比，制造过程无需模具，整体制 造流程短，制造周期短，柔性化程度高，易于实现数字化、智能化，对设计的响 应快，可实现零部件的拓扑优化设计，在小批量、复杂构件的个性化定制方面具 有很大技术和成本优势。 20世纪70年代，德国学者提出了电弧增材制造的概念，并采用该技术制造 了一金属容器。20世纪80年代，美国使用等离子弧焊、熔化极气体保护焊技术 制造出了镍基合金金属构件，20世纪90年代，随着增材制造技术的发展，电弧 增材制造技术也得到了空前的发展，在装备、工艺及材料性能研究方面均取得了 很大突破。 2电弧增材制造技术研究现状 目前国内外用于WAAM制造的电弧种类主要为熔化极气体保护焊（GMAW），钨极惰性气体保护焊（GTAW）、等离子弧焊（PAW）等，尤其是配以冷金属过 度的熔化极气体保护焊，因其热输入小，电弧稳定性好等特点，得到了广泛发展 和应用。今年来，国内各大高校针对电弧增材制造的研究也在不断深入，主要集 中在成形控制、过程监控和成形件性能研究等方面。 2.1工艺与成形研究 电弧增材制造在制造过程中液态熔池较大，电弧的可控性难，故成形控制是 电弧增材制造的发展的主要瓶颈之一。电弧增材制造的在成形设备方面，主要有 两种方式，一种是焊接设备与多功能数控机床复合，另一种是焊接设备与多轴机 械手复合，实现柔性制造。成形控制方面的研究主要集中在工艺优化、过程监控 以及实时反馈等方面，在工艺优化环节主要是通过实验，针对不同的增材方法， 研究合适的工艺参数，例如打印速度，丝径，送丝速度，电流，电压等。沈泳华[[[]沈泳华.电弧增材制造成形系统设计和成形规律研究[D].南京：南京航空航天大学，2017]]研究了以KUKA焊接机器人和Fronius数字化焊机为主要设备的GMAW 冷金属过渡电弧增材制造系统和成形规律，采用“反切削法”实现了电弧增材制造 成形路径规划系统，并研究了不同工艺条件下的表面成形质量。熊俊[[[] 熊俊.多 层单道GMA增材制造成形特性及熔敷尺寸控制[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2014]]研究了单道熔化极气体保护增材制造的工艺特性和成形质量，表明熔敷电 流是决定成形形貌的决定因素，良好的成形电流区间为100~180A。柳建等人[[[]
钛及钛合金的失效与其预防 钛及钛合金是20世纪50年代兴起的一种重要结构金属，被联合国《世界经济的未来》报告誉为继钢、铝之后21世纪的第三金属。钛及钛合金具有许多优异的性能，比如低密度，高熔点，高比强度，耐腐蚀性能优异，高低温性能好，无磁性，声波和振动的低阻尼特性，生物相容性好，具有超导特性、形状记忆和吸氢特性等，被称为“太空金属”和“海洋金属”，在航空航天、海洋开发、化工、冶金、电力、医用材料、体育休闲业、汽车等领域有着广阔的应用。 钛及其合金在航空航天领域[1]得以广泛应用，在航空发动机上不断取代铝合金、镁合金及钢构件。这得益于钛合金的高比强度远超过强度高而密度大的钢以及重量轻但强度较低的铝合金；并且钛合金的耐热性远高于铝合金，目前先进耐热钛合金的工作温度可达550℃~600℃，同时低温钛合金则在-253℃还能保持良好的塑性；另外钛及其合金优良的抗蚀性，特别是在海水和海洋大气中抗蚀性极高，这对舰载飞机、水上飞机以及沿海地区服役的飞机都十分有利。尽管钛合金具有诸多优点，但也存在一些缺点限制了它的应用。钛及其合金的弹性模量低，容易变形失稳，不宜作细长杆件和薄壁件；钛及其合金导热性差、摩擦系数高，容易导致粘连，不宜用作有摩擦关系的零部件；制造成本高等。 钛及其合金不仅在军事领域得到广泛应用，其在民用工业领域的应用也日益增多。由于这些钛制构件的受力状况和工作环境各不相同，其常见的失效模式主要有：1.疲劳断裂；2.腐蚀损伤，如钛合金的氧污染、应力腐蚀断裂、氢脆等； 3.摩擦损伤，如外物磨蚀、冲刷等； 4.失稳，由于刚性不够而在使用条件下失稳失效； 5.蠕变失效，包括变形过大、蠕变断裂、蠕变脆化等。 1. 疲劳断裂失效 疲劳断裂是零部件在交变载荷（应力或应变）反复作用下的累积损伤过程，这是钛合金零部件最主要的失效模式，如压气机颤振引起叶片的低周疲劳、振动引起转子叶片的高周疲劳等。 （1）低周疲劳断裂 金属在交变载荷作用下由于塑性应变的循环作用而引起的疲劳破坏叫做低周疲劳，也称塑性疲劳或应变疲劳。低周疲劳寿命很短，一般低于105周次。钢及铝合金在退火状态下一般表现为循环硬化，而大多数退火状态的钛合金在低周疲劳过程中一般表现为循环软化。循环软化或循环硬化是指金属材料在应变（应力）保持一定的情况下，应力（应变）在循环过程中下降（增高）或增高（下降）的现象。对结构件的设计而言，一般选用循环稳定或循环硬化的材料，而大多工业钛合金属于循环软化材料，在使用过程中，若处于应力控制，则会产生过量的塑性变形而使构件破坏或失效。 （2）高周疲劳断裂[2]
内容来源网络，由“深圳机械展（11万㎡，1100多家展商，超10万观众）”收集整理！ 更多cnc加工中心、车铣磨钻床、线切割、数控刀具工具、工业机器人、非标自动化、数字化无人工厂、精密测量、3D打印、激光切割、钣金冲压折弯、精密零件加工等展示，就在深圳机械展. 传统零件制备工艺主要是减材制造。从一块原材料开始，通过切割、钻、铣削等机械工艺方式去除部分材料，从而获得一个三维物体形态，这个过程中材料的利用率较低。而增材制造通过极小单位的原材料的叠加产生三维物体形态，虽然后期也可能通过再加工产生废料，但总体来说对材料的浪费是很少的。这在原型制作以及小批量生产上明显优于传统减材技术。 激光增材制造技术是一种基于离散/ 堆积成形思想的新型制造技术，是集成计算机、数控、激光和新材料等新技术而发展起来的先进产品研究与开发技术。其基本过程是将三维模型沿一定方向离散成一系列有序的二维层片；根据每层轮廓信息，进行工艺规划，选择加工参数，自动生成数控代码；成形机制造一系列层片并自动通过激光熔敷、烧结、沉积等将它们联接起来，得到三维物理实体。这样将一个物理实体的复杂三维加工离散成一系列层片的加工，大大降低了加工难度，且成形过程的难度与待成形的物理实体形状和结构的复杂程度无关。该技术的主要特点有：高柔性，可以制造任意复杂形状的三维实体；CAD模型直接驱动，设计制造高度一体化；成形过程无需专用夹具或工具；无需人员干预或只需较少干预，是一种自动化的成形过程；成形全过程的快速响应，适合现代激烈的产品市场。 尤其是金属零件，其主要采用激光增材制造技术，以高功率或高亮度激光为热源，逐层熔化金属粉末，直接制造出任意复杂形状的零件。其主要方法有： 1、激光直接沉积增材制造技 该技术可追溯到20 世纪70 年代末期的激光多层熔覆研究，但直到20世纪90年代，国内外众多研究机构才开始对同轴送粉激光快速成形技术的原理、成形工艺、熔凝组织、零件的几何形状和力学性能等基础性问题开展大量的研究工作。
3.1 增材制造技术概述 增材制造技术诞生于20世纪80年代后期的美国。一开始，增材制造技术的诞生源于模型快速制作的需求，所以经常被称为“快速成型”技术。历经三十年日新月异的技术发展，增材制造已从概念（沟通）模型快速成型发展到了覆盖产品设计、研发和制造的全部环节的一种先进制造技术，已远非当初的快速成型技术可比。 3.1.1概述 1.概念 增材制造（即Additive Manufacturing，简称AM）：一种与传统的材料“去除型”加工方法截然相反的，通过增加材料、基于三维CAD模型数据，通常采用逐层制造方式，直接制造与相应数学模型完全一致的三维物理实体模型的制造方法。 增材制造的概念有“广义”和“狭义”之说，如图3-1所示。 “广义”增材制造则以材料累加为基本特征，以直接制造零件为目标的大范畴技术群。而“狭义”的增材制造是指不同的能量源与CAD/CAM技术结合、分层累加材料的技术体系。 目前，出现了许多令人眼花缭乱的多种称谓：快速成型（Rapid Proto-typing）、直接数字制造（Direct Digital Manufacturing）、增材制造（AdditiveFabrication）、“三维打印(3D—Printing )”、“实体自由制造(Solid Free-form Fabrication) ”、增层制造（Additive Layer Manufacturing）等。2009年美国ASTM专门成立了F42委员会，将各种RP统称为“增量制造“技术，在国际上取得了广泛认可与采纳。 2.原理与分类 实际上在我们的日常生产、生活中类似“增材”的例子很多，例如：机械加工的堆焊、建筑物（楼房、桥梁、水利大坝等）施工中的混凝土浇筑、元宵制法滚汤圆、生日蛋糕与巧克力造型等。 图3-1 增材制造概念 基本原理：首先将三维CAD模型模拟切成一系列二维的薄片状平面层。然后利用相关设
钛合金表面处理 引言 钛在高温下易于与空气中的O、H、N等元素及包埋料中的Si、Al、Mg等元素发生反应，在铸件表面形成表面污染层，使其优良的理化性能变差，硬度增加、塑性、弹性降低，脆性增加。 钛的密度小，故钛液流动时惯性小，熔钛流动性差致使铸流率低。铸造温度与铸型温差(300℃)较大，冷却快，铸造在保护性气氛中进行，钛铸件表面和内部难免有气孔等缺陷出现，对铸件的质量影响很大。 因此，钛铸件的表面处理与其它牙用合金相比显得更为重要，由于钛的独特的理化性能，如导热系数小、表面硬度、及弹性模量低，粘性大，电导率低、易氧化等，这对钛的表面处理带来了很大的难度，采用常规的表面处理方法很难达到理想的效果。必须采用特殊的加工方法和操作手段。 铸件的后期表面处理不仅是为了得到平滑光亮的表面，减少食物及菌斑等的积聚和粘附，维持患者的正常的口腔微生态的平衡，同时也增加了义齿的美感；更重要的是通过这些表面处理和改性过程，改善铸件的表面性状和适合性，提高义齿的耐磨、耐蚀和抗应力疲劳等理化特性。 一、表面反应层的去除 表面反应层是影响钛铸件理化性能的主要因素，在钛铸件研磨抛光前，必须达到完全去除表面污染层，才能达到满意的抛光效果。通过喷砂后酸洗的方法可完全去除钛的表面反应层。 1. 喷砂：钛铸件的喷砂处理一般选用白刚玉粗喷较好，喷砂的压力要比非贵金属者较小，一般控制在0.45Mpa以下。因为，喷射压力过大时, 砂粒冲击钛表面产生激烈火花，温度升高可与钛表面发生反应,形成二次污染，影响表面质量。时间为15~30秒，仅去除铸件表面的粘砂、表面烧结层和部分和氧化层即可。其余的表面反应层结构宜采用化学酸洗的方法快速去除。 2. 酸洗：酸洗能够快速完全去除表面反应层，而表面不会产生其他元素的污染。HF—HCl系和HF—HNO3系酸洗液都可用于钛的酸洗，但 HF—HCl系酸洗液吸氢量较大，而HF—HNO3系酸洗液吸氢量小，可控制HNO3的浓度减少吸氢，并可对表面进行光亮处理，一般HF的浓度在3%~5 %左右，HNO3的浓度在15%~30%左右为宜。 二、铸造缺陷的处理 内部气孔和缩孔内部缺陷：可等热静压技术(hot isostatic pressing)去
Material Sciences 材料科学, 2017, 7(3), 275-282 Published Online May 2017 in Hans. https://www.doczj.com/doc/5114381311.html,/journal/ms https://https://www.doczj.com/doc/5114381311.html,/10.12677/ms.2017.73038 文章引用: 王沛, 黄正华, 戚文军, 周永欣, 徐春杰, 刘建业, 胡高峰. 钛合金3D 打印技术的应用及研究现状[J]. 材料 Application and Research Progress on Titanium Alloy Printed by 3D Technology Pei Wang 1,2, Zhenghua Huang 2*, Wenjun Qi 2, Yongxin Zhou 1, Chunjie Xu 1, Jianye Liu 3,4, Gaofeng Hu 3,4 1 School of Materials Science and Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an Shaanxi 2 Guangdong Provincial Key Laboratory for Technology and Application of Metal Toughening, Guangdong Institute of Materials and Processing, Guangzhou Guangdong 3Guangdong Hantang Quantum Photoelectric Technology Co. Ltd, Zhongshan Guangdong 4Guangdong Hanbang Laser Technology Co. Ltd, Zhongshan Guangdong Received: Apr. 27th , 2017; accepted: May 17th , 2017; published: May 22nd , 2017 Abstract First, the principle of 3D printing technology of metal is described in the paper. Then, the applica-tion fields of titanium alloy printed by 3D technology in recent years including dental and ortho-pedics, prototype and mould, aerospace and so on are introduced. Afterwards, the research progress on titanium alloy printed by 3D technology all over the world is summarized. Finally, its future is looked forward to. Keywords Titanium Alloy, 3D Printing Technology, Application Field, Research Progress 钛合金3D 打印技术的应用及研究现状 王 沛1,2，黄正华2*，戚文军2，周永欣1，徐春杰1，刘建业3,4，胡高峰3,4 1 西安理工大学 材料科学与工程学院，陕西 西安 2广东省材料与加工研究所 广东省金属强韧化技术与应用重点实验室，广东 广州 3广东汉唐量子光电科技有限公司，广东 中山 4广东汉邦激光科技有限公司，广东 中山 收稿日期：2017年4月27日；录用日期：2017年5月17日；发布日期：2017年5月22日 *通讯作者。
钛合金氢脆的失效分析 摘要：氢脆是钛合金在使用过程中失效的主要原因之一，它严重影响着钛合金的生产和应用。本文主要介绍了钛合金氢脆的机理、影响因素、预防措施及应用等进行了阐述，并对存在的问题和发展前景进行探讨。 关键词：钛合金，氢脆，机理，影响因素，预防措施 Failure analysis of titanium alloys to hydrogen embrittlement ABSTRACT：Hydrogen embrittlement is one of the main reasons for failure of titanium alloy in the course of it a serious impact on the titanium alloy production and applications. This paper describes the mechanism of the titanium alloy to hydrogen embrittlement, influencing factors, preventive measures and applications are described and the problems and prospects to explore. KEY WORDS：Titanium alloys, hydrogen embrittlement, influencing factors, preventive measures 引言 由于钛合金优良的比强度、刚性和耐腐蚀性能以及它们在高温下的良好性能，而成为广泛地用于航空、航天、化工、石油、冶金、轻工、电力、海水淡化、舰艇和日常生活器具等工业生产中，被誉为现代金属[1]。但是，当这些合金与含氢环境接触时，钛合金和氢之间的相互作用便会产生极端和严重的问题，造成脆化或开裂，形成氢脆。氢脆是石油、天然气、化工、冶金、航空、航天、核工业、能源等部门机械失效的主要原因之一，因此备受人们的重视，对其行为、规律、机理和控制进行了广泛的研究，并取得了丰富的成果。 1 钛合金氢脆的机理 氢脆(hydrogen embrittlement)是指氢原子(H)侵人材料内部并且在一些晶格缺陷聚集巾形成氢分子(H2)，体积膨胀导致材料内部破裂[2]。造成材料氢脆的氢原子来源很多，在这些氢原子来源中，有的是材料加工或制造过程无意产生的。 1.1 氢与钛的相互作用 氢一钛间的相互作用，主要是氢在钛的α和β相溶解度的变化和形成氢化物，对于不同钛合金，氢对其的影响也不一样。 氢和钛的相互作用，随着直接由β相形成的仅+氢化物相而发生一简单的共析转变形式，氢对β相区强烈稳定的影响导致α一β转变温度从882。C下降到300。C的一共析温度。在600。C以上的高温下，氢在β相中的最终溶解度(未形成氢化物相)可高达50at.％。然而，在α相中，300℃下氢的最终溶解度只有近7at.％，并且随温度下降而快速下降。在第Ⅳ族过渡金属中，氢趋向于占据四面体间隙位置。结果，由于相对开放的体心立方(bcc)结构造成了β
3D打印医用钛合金植入物的研究现 状与进展 生物医用钛合金材料现已成为全球外科植入与矫形器械产品中所需要的主要原材料。而3D打印技术可根据不同患者的病情需求，个性化地定制生物医用材料，并对其微观结构进行精确控制。因此，将这种新兴技术与生物医用材料结合是未来生物组织学工程的一大研究趋势。近年来，相继有不同的医用材料采用3D打印技术制备成型用于动物组织修复等实验中。本文主要就3D打印的钛合金生物材料的研究现状与进展等作简要评述。 1.背景 生物医用金属材料是一类生物惰性材料，广泛应用在骨科领域外科植入物和矫形器械上。而目前常用的医用金属材料主要包括钴基合金、不锈钢和钛基合金三大类，另外还有记忆合金、贵金属及纯金属钽、铌和锆等。其中，钛基合金因其质量轻、强度高、在生理环境中耐腐蚀性好、抗疲劳强度优良与低弹性模量等优点，在生物医学上被广泛用于承重植入物。由于临床上常遇到植入物与患区匹配不佳的情况，影响
了手术效果及植入物寿命。而根据患者的病情来定制具备特定结构并满足生物安全性要求的个体化外科植入物已成为医用材料的一个研究热点。现有的金属植入物大多采用模具、车铣等传统机械加工方式进行定型、切削原材料，成本消耗大、冶炼加工流程长且难度高、工艺复杂，满足不了个体化治疗的目的。随着材料学和计算机辅助工程学的高速发展，3D打印技术为个性化治疗手段的实现提供了新的思路。 2.3D打印技术概况 3D打印技术，即快速成型技术的一种，是以数字模型文件为基础，通过软件分层离散和数控成型系统，利用热熔喷嘴、激光束等方式将粉末状金属或塑料等可粘合的材料进行逐层堆积，最终叠加成型来构造物体。“分层制造、逐层叠加”是其核心原理。目前现有的3D打印技术主要有：电子束熔化成型(EBM)、选择性激光烧结(SLS)、直接金属激光烧结(DMLS)、熔融层积成型(FDM)、激光熔敷技术(LENS)、立体平板印刷技术(SLA)、三维喷印(3DP)、DLP激光成型技术、UV 紫外线成型技术、LOM分层实体制造技术等。常用于3D打印的材料主要有：金属、陶瓷、高分子材料等。经过几十年的发展，3D打印技术逐渐在工业设计、汽车、航天、建筑、医疗、教育等领域中得到了广泛应
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浅谈影响钛合金加工性能的原由 钛合金是一种20世纪50年代兴起的重要金属结构材料,近年,钛合金正广泛应用于民用领域,开发出的钛合金产品几乎渗透到现代生活衣食住行各个方面。1常见故障分析在生产中发现,钛合金机械加工表面质量常见故障有过腐蚀、挂灰、氧化皮未除尽及条纹状花斑几种。1.1过腐蚀过腐蚀是指酸洗后钛合金表面出现麻坑或凹凸不平等缺陷,和材料组织显露有所区别。一般导致过腐蚀缺陷的原因是氢氟酸和硝酸的比例失调,氢氟酸浓度过高或者硝酸浓度不足均可导致该缺陷出现,另一个原因就是酸洗时间过长,一般酸洗t为1min~4min,可以根据操作现场调整工艺参数,适当缩短酸洗时间。1.2挂灰挂灰是指酸洗后钛合金表面附着的氧化物,酸洗时由于钛合金和酸液进行化学反应,产生的氧化物积累在表面,阻止了反应的进一步发生。挂灰的缺陷一般是由酸洗时挂灰沉积过多和酸洗后冲洗不够。酸洗时应不断晃动零件,使反应后的产物从钛合金表面脱落,酸洗后应加强喷淋或冲洗的办法去除挂灰。国内一般采取压缩空气和自来水混合的高速水流冲洗零件,效果良好。 1.3氧化皮未除尽导致该缺陷的原因比较多,各个工序均有可能。有可能除油不良,或者熔融盐处理时间不够,或者酸洗溶液失效。出现该缺陷时,应该逐一排除各种可能因素,在必要的时候,可以在前处理增加喷砂工序。1.4条纹状花斑导致该缺陷的原因一般是由于反应不均匀造成的。可以通过酸洗时晃动零件和降低酸洗液温度来排除。除了以上几种缺陷,有时还会发现酸洗后检验合格的产品,经过一段时间后,表面出现花斑的现象。对于此种现象,现在研究比较少,可能是由于酸洗后表面有残留酸液或后续生产带入的腐蚀性介质存在,在应力的共同作用下产生的,在微观检测下与一般腐蚀形态有所区别,一般来说不影响其使用性能,可通过再次酸洗的方法去除,但是受力件要加强二次酸洗后的除氢处理。2影响钛合金机械加工性能的因素导热系数、弹性模量、化学活性及合金类型和显微组织是影响钛合金机械加工性能的主要因素。钛合金的导热系数