硕士学位论文
送粉式和送丝式的钛合金激光增材制造特性
研究
RESEARCH ON LASER ADDITIVE MANUFACTURING CHARACERISTICS OF TITANIUM ALLOY WITH POWDER AND WIRE
章敏
哈尔滨工业大学
2013年6月
国内图书分类号：TG456.7 学校代码：10213 国际图书分类号：621.791 密级：公开
工学硕士学位论文
送粉式和送丝式的钛合金激光增材制造特性
研究
硕士研究生：章敏
导师：陈彦宾教授
申请学位：工学硕士
学科：材料加工工程
所在单位：材料科学与工程学院
答辩日期：2013年6月
授予学位单位：哈尔滨工业大学
Classified Index: TG456.7
U.D.C: 621.791
Dissertation for the Master Degree in Engineering
RESEARCH ON LASER ADDITIVE MANUFACTURING CHARACERISTICS OF TITANIUM ALLOY WITH POWDER AND WIRE
Candidate：Zhang Min
Supervisor：Prof. Chen Yanbin
Academic Degree Applied for：Master of Engineering
Speciality：Material Processing Engineering Affiliation：School of Materials Science and
Engineering
Date of Defence：June, 2013
Degree-Conferring-Institution：Harbin Institute of Technology
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摘要
TC4作为一种最常见、应用最为广泛的钛合金，其使用量已经占到全世界钛消费品的50%以上。钛合金的传统制造技术存在很多缺点，比如容易产生粘刀、崩刀，需要大型锻压设备，生产周期长，材料利用率低，制造成本高，而且难以制造复杂形状的结构件等一系列问题。激光增材制造，也被称为激光3D打印，是一种通过层层堆积的方式将数字化模型直接制造出实体零件的一种技术。为钛合金制备提供了一种的低成本、短周期、高质量的途径，在航空航天、生物医学等领域具有重要的应用前景。
本文主要采用同轴送粉和旁轴送丝两种沉积方式进行了TC4的激光增材制造研究，对两种方式的工艺特性、组织、性能等方面进行了研究，同时研究了热处理工艺对成形件组织和性能的影响，最后对两种方式进行了比较。
在送粉式激光增材制造特性研究中，分析了激光功率、扫描速度等主要工艺参数对成形尺寸的影响规律，确立合理的工艺窗口范围；在立体成形特性研究中，重点研究了柱状晶定向外延生长的机理和工艺控制；对沉积态TC4进行了室温力学性能测试与评价。
通过金相、SEM组织观察及断口分析等手段研究了沉积态TC4的组织特征，表明其宏观组织主要是定向生长的柱状晶。微观组织全是魏氏组织，同时还发现层带组织的存在并解释了其形成机理。对沉积态TC4进行了热处理工艺研究，并分析其组织和性能的演变。研究表明，通过热处理工艺优化后的TC4成形件综合性能超过了铸件、锻件标准。
针对送丝式激光增材制造TC4存在的工艺难点，如光丝对中性、粘丝、丝的球化、层间未熔合等问题，通过设备改进和工艺优化加以解决。研究了工艺参数对成形尺寸的影响规律，确立了送丝式的工艺窗口范围；从工艺控制、组织特征和性能评价三方面对送丝式立体成形特性进行了研究；从工艺窗口和内部缺陷、组织和性能、尺寸精度和表面精度、效率、经济性五方面比较了送粉式和送丝式激光增材制造的优缺点。
关键词：TC4钛合金；激光增材制造；送粉和送丝；工艺；组织和性能
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Abstract
As one of the most common and most widely used titanium alloy, the usage of TC4 has accounted for more than 50% of the titanium all over the world. Traditional manufacturing technology of titanium alloy exists many shortcomings, such as prone to stick a knife and the phenomenon of tool wear, requiring large forging equipments, long production cycle, the material utilization is low and the manufacturing costs are high. Moreover, it is difficult to manufacture complex shape parts. Laser additive manufacturing, also known as laser 3D printing, is a layer-by-layer technique of producing three-dimensional (3D) objects directly from a digital model. Which provides a low-cost, short-cycle approach for the manufacturing of titanium alloy.
This paper mainly adopts coaxial powder feeding and paraxial wire feeding to research the laser additive manufacturing of TC4. The forming characteristics of the two methods, microstructures, mechanical properties and other aspects were studied, also, the influence of heat treatment process on the microstructure and mechanical properties of forming parts was studied. Finally the two methods are compared.
Through single forming process research, analyzed the influence of process parameters on the size of single-shaping and the range of process parameters were obtained; Multilayer forming process showed that the protective atmosphere has a great influence on the laser additive manufacturing of TC4. Research is mainly focused on the mechanism of directional columnar crystal, puts forward the corresponding control methods; The mechanical properties were tested, indicating that deposited TC4 with a characteristic of high strength and low toughness.
The microstructures of the deposited TC4 are analyzed by optical metalloscope and SEM, which are mainly directional growth of coarse β columnar grain through multiple layers. And it is full of widmanst?tten structure, at the same time, the parallel layer bands were also found. Analyzed the relationship between microstructures and properties, explained the mechanism of widmanst?tten and the layer bands formation; Analyzed the evolution of the microstructure and mechanical properties after heat treatment.
The paraxial wire feeding method has some outstanding technological difficulties, such as the neutral between laser and wire, oxidation protection, spheroidization of
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droplet, incomplete fusion between layers etc. Which were resolved by the equipment improvement and process optimization. Studied the influences of process parameters in single layer forming size, and compared with the powder feeding type. From process control, microstructure characteristics and performance evaluation，the multilayer forming characteristics were studied. Compared the advantages and disadvantages of the two methods in process window and internal defects, microstructure, mechanical properties, dimensional precision and surface accuracy, efficiency and economy etc.
Keywords: TC4 titanium alloy, laser additive manufacturing, powder and wire, process, microstructures and mechanical properties.
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目录
摘要...............................................................................................................................I Abstract.............................................................................................................................II 目录............................................................................................................................IV 第1章绪论.. (1)
1.1 课题背景及研究意义 (1)
1.2 国内外研究现状 (2)
1.2.1 激光增材制造技术的原理及分类 (2)
1.2.2 激光增材制造技术的发展及现状 (4)
1.2.3 送粉式激光增材制造钛合金 (5)
1.2.4 送丝式激光增材制造钛合金 (7)
1.3 本文的主要研究内容 (9)
第2章试验条件及方法 (10)
2.1 试验材料 (10)
2.2 试验设备 (10)
2.3 激光增材制造过程 (12)
2.4 组织观察 (13)
2.5 性能测试 (13)
第3章送粉式激光增材制造TC4成形工艺特性研究 (15)
3.1 引言 (15)
3.2 基础工艺特性 (15)
3.3 立体成形工艺特性 (18)
3.3.1 成形特征 (18)
3.3.2 晶体定向生长技术及控制理论 (19)
3.3.3 激光功率对柱状晶形态的影响 (21)
3.3.4 扫描速度对柱状晶形态的影响 (22)
3.3.5 扫描方向对柱状晶形态的影响 (23)
3.4 成形件的性能评价 (24)
3.4.1 不同激光功率下的力学性能 (24)
3.4.2 不同扫描速度下的力学性能 (25)
3.4.3 不同取样方向下的力学性能 (26)
3.4.4 不同扫描方式下的力学性能 (28)
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3.5 本章小结 (28)
第4 章送粉式激光增材制造TC4组织及热处理工艺研究 (30)
4.1 引言 (30)
4.2钛合金的组织与相变原理 (30)
4.3 沉积层组织特征 (32)
4.3.1 定向外延生长的柱状晶 (32)
4.3.2 魏氏组织的形成 (33)
4.3.3 层带的形成 (35)
4.4 热处理工艺对TC4成形件组织和性能的影响 (38)
4.4.1热处理原理及工艺 (38)
2.3.2热处理后的力学性能 (40)
4.4.2热处理后的组织演变 (41)
4.5 本章小结 (43)
第5章送丝式激光增材制造TC4特性研究 (44)
5.1 引言 (44)
5.2工艺难点与解决措施 (44)
5.2 基础工艺特性 (46)
5.3 立体成形特性研究 (47)
5.3.1成形特性 (47)
5.3.2工艺控制与组织特征 (48)
5.3.3性能评价 (51)
5.4 送粉式和送丝式的比较 (52)
5.4.1工艺窗口与内部缺陷 (52)
5.4.2组织和性能 (53)
5.4.3尺寸精度和表面精度 (53)
5.4.4效率 (54)
5.4.5经济性 (54)
5.6 本章小结 (54)
结论 (56)
参考文献 (57)
哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 (61)
致谢 (62)
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第1章绪论
1.1 课题背景及研究意义
钛合金具有密度小、比强度高、断裂韧度高、抗腐蚀好等突出优点，在航空、航天、燃气轮机、船舶、汽车、化工、生物医学等领域具有广泛的应用。例如，新一代大型客机波音787 和空客A350中钛合金的使用量已超过机体结构总重的15% ，美国第四代战机F-22 中钛合金的使用量更是超过了41% ，一般的高推比航空发动机中钛合金用量约在25%~40%[1]。TC4 由于优异的综合性能，较宽的温度适用性和稳定的组织，应用最为广泛，其使用量已经占到全世界钛消费品的50%以上[2]。
钛合金的传统制造技术主要包括去材制造、铸造、锻造等。去材制造主要包括切削和铣削，由于钛合金的导热性差，只相当于钢的1/5，切削时容易造成热积累，产生粘刀和刀具的磨损现象。此外，钛合金的塑性低，切削变形系数小，从而造成切削刃负荷重，容易造成崩刀[3]。铸造最常见的问题是容易形成缩孔、缩松等组织缺陷，加上钛的化学性质很活泼，铸造过程中必须隔绝空气。采用整体锻造制造钛合金结构件，不仅需要大型锻压设备，生产周期长，制造成本高，而且难以制造复杂形状的结构件，材料利用率低，一般低于10%[1]。
激光增材制造，也被称为激光3D打印技术，是一种通过层层堆积的方式将数字化模型直接制造出实体零件的一种技术。与传统的制造技术相比，具有如下特点[4]：1）节约材料，无需或需少量后续加工，实现“净成形”或“近净成形” ；2）无需大型锻压设备和模具、专用夹具；3）可以制造形状复杂、难加工材料；4）个性化设计，柔性化生产；5）缩短了从设计到制造的时间，降低制造成本和风险；6）可以用于零件的修复。该技术是一种全新的短周期、低成本的制造技术，在航空、航天和生物医学等领域具有重要的应用前景。
目前，国内外关于送粉式的激光增材制造主要采用CO2激光+旁轴送粉的方式。相比于CO2激光，光纤激光器的光束质量非常好，能够获得尺寸更小的光斑，由于光纤传输，在制造过程中具有突出的灵活性优势，因而其成形精度远高于CO2激光[4]。相比于旁轴送粉，同轴送粉没有方向性的问题，因而能够完成复杂形状零件的成形，并且由于同轴喷嘴能够利用自身的惰性气体保护，因而能够较好的解决成形过程中的氧化问题。
目前，国内外关于激光增材制造的研究主要采用粉末材料，对送丝式的研究
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还很少报道。粉末的不足在于材料利用率很低（20~30%），粉末颗粒对环境和操作者的危害。而送丝激光增材制造不仅材料利用率很高，没有粉尘污染，而且更加具有经济性[5]。因此，本文将采用同轴送粉和旁轴送丝两种方式进行光纤激光增材制造的研究，掌握它们各自的成形特性，分析其组织、性能等方面的差异，确立其不同的应用特性，为今后正确选择合适的制造工艺打下基础。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 激光增材制造技术的原理及分类
激光增材制造技术的基本思想是采用了数学中的积分思想，即任何三维实体均可由无穷多个二维平面叠加而成[6]。首先对要加工的实体零件进行CAD建模，并切片分层二维平面，激光熔化同步送进的粉末或选择性烧结预置的粉末形成二维熔覆层，并逐步顺序堆积成三维实体零件。
从直接制造金属零件的角度考虑，激光增材制造技术主要可分为选择性激光熔化（Selective Laser Melting ，SLM）和激光熔化沉积（Laser Metal Deposition，LMD）两种，见图1。
（a）选择性激光熔化（SLM）（b）激光熔化沉积（LMD）
图1 金属零件激光增材制造方式[7]
选择性激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）是由选择性激光烧结（Selective Laser Sintering，SLS）发展而来，其工艺过程是[4]：在粉末床上铺一层粉并刮平，激光束按照一定的路径快速扫描粉末，使粉末熔化烧结在一起。然后
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粉末床下降一定的高度，再铺上一层粉，重复上述过程从而形成三维实体零件，见图1（a）。与SLS不同的是，SLM技术通过直接熔化金属粉末进行加工，而不用粘接剂，因而其零件的致密度大大提高。其优点是成形精度高、表面粗糙度小、可以制造复杂件、零件内部组织致密，其不足是成形尺寸小、沉积效率低。
激光熔化沉积（Laser Metal Deposition，LMD）于上世纪90年代中期在全世界很多地方相继发展起来，由于这是一个全新的研究领域，许多大学和机构是分别独立进行研究的，因此对这一技术的命名可谓是五花八门。例如，美国Sandia 国家实验室的激光近净成形技术LENS（Laser Engineered Net Shaping）[8]，美国Michigan大学的直接金属沉积DMD（Direct Metal Deposition ）[9]，英国伯明翰大学的直接激光成形DLF（Directed Laser Fabrication）[10]，中国西北工业大学的激光快速成形LRF(Laser Rapid Forming)[11]等。虽然名字不尽相同，但是他们的原理基本相同，见图2。与SLM相比，LMD在成形尺寸上更加灵活，可以制备更大尺寸的零件。
（a）CAD建模（b）切片分层（c）沉积成形（d）三维零件
图2 激光直接沉积制造原理
除了采用激光进行增材制造研究外，近些年来，也出现了其他形式的增材制造[12]，比如TIG电弧和电子束的增材制造。
TIG电弧增材制造的优点是沉积效率高、成形尺寸大、设备简单、经济性优良；其不足是成形精度差、难以成形复杂结构件、材料只能选择丝材而不能用粉末。
电子束的优点是真空环境下成形，质量好，没有气孔、氧化等问题；其不足是设备昂贵，工艺条件苛刻。
由于激光具有能量高度集中，形成的熔池和热影响区小等优势，加上成形环境不需要真空，以及激光器和机器人的广泛普及。目前，研究最多、应该最广的还是激光增材制造。
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1.2.2 激光增材制造技术的发展及现状
国外关于选择性激光熔化（SLM）技术已有大量的研究并已实现商业化应用，典型的商业化设备如德国EOS 公司的EOSINT250/350，英国Renishaw公司的AM125/250，美国3D Systems公司的SLA250/350/500等[6]。对于SLM技术而言，成形的关键在于成形精度和内部致密度的控制，由于金属材料在熔点附近表面张力很大，熔化时易形成球化，对成形精度产生很大的影响；由于粉末颗粒无法通过外力压实到完全密实的程度，因此很容易在零件内部形成微小孔洞。要解决这些问题，就要精确控制成形过程中的激光功率、光斑尺寸、扫描速度等因素。
而激光熔化沉积（LMD）的发展稍微晚点，其中美国军方对这一技术给予了大力的关注和支持，在其支持下，美国率先进行了该技术实用化的研究。1997年，美国MTS 公司成立专门从事钛合金飞机结构件激光熔化沉积技术开发应用的AeroMet 公司，在美国空军、陆军及国防部有关研究计划支持下，进行激光熔化沉积钛合金飞机结构件的研究；2000年，完成了钛合金飞机机翼的静载强度测试试验。2001年，其生产的三个钛合金次承力结构件获准在飞机上使用，其性能超过了传统的制造工艺，同时由于材料和切削加工的节省，其制造成本降低20~40%，生产周期也缩短80%。但由于在钛合金主承力结构件的疲劳性能未超过锻件标准，最终未能实现该技术在飞机大型构件上的应用，公司于2005年关闭[13]。尽管如此，具有低成本、短周期、高性能特点的激光增材制造技术仍在美国的航空航天、国防工业中发挥着重要的作用。
鉴于激光增材制造高性能致密金属零件的巨大优势和广阔的应用前景，2012年3月19日，美国总统奥巴马宣布建立制造创新国家网络（National Network for Manufacturing Innovation），计划投资10亿美元，建立不超过15家的制造创新研究所。2012年8月16日，第一个研究所——国家增材制造创新研究所（National Additive Manufacturing Innovation Institute )在俄亥俄州的扬斯敦建立，专门研究增材制造技术[14]。
国内的西北工业大学、北京航空航天大学、北京有色金属研究总院、清华大学、华中科技大学、华南理工大学、南京航空航天大学等院所[15-20]也对激光增材制造技术展开了积极研究。其中，而华中科大、华南理工等侧重于选择性激光熔化（SLM）的研究。西工大、北航、有色金属研究总院和清华大学侧重于激光熔化沉积（LMD）研究，其中，北航的王华明团队在大型钛合金结构件的激光直接沉积制造方面取得了突破性的进展，成为世界上第二个实现该技术在飞机上应用的单位。目前，尚无机构进行送丝式的激光增材制造研究。总体说来，由于设备
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上的巨大差异，国内在研究深度、成形质量、实际应用及商品化等方面都与国外存在较大差距。
1.2.3 送粉式激光增材制造钛合金
目前，国内外关于送粉式激光增材制造钛合金的研究热点集中于组织控制和成形件综合性能的改良上，而设备、成形工艺和热处理等都会对成形件的组织和性能造成影响，因而国内外在这方面进行了一些基础研究。
2005年，英国的P.L. Blackwell等[21]采用4kw的Nd-YAG 激光和18kw的CO2激光分别制备了Ti-6246合金。研究表明，Nd-YAG 激光的沉积效率约在2cm3/h，而CO2的沉积效率约在196cm3/h，制造相同高度的零件Nd-YAG激光需要120h 而CO2激光只需1.3h，显然CO2激光的效率要高于Nd-YAG 激光。但是在成形精度上，Nd-YAG激光的精度明显比CO2激光要高，见图3。比较两种工艺下成形件的组织发现，采用Nd-YAG和CO2获得的组织都是沿沉积方向（垂直方向）外延生长的柱状晶，其中Nd-YAG获得的组织是细小的魏氏组织，柱状晶宽约150~200μm，高约几毫米；而CO2获得的是粗大的魏氏组织，柱状晶宽约2~3mm，高约10mm。此外，Nd-YAG激光的层间热影响区的深度约在150μm，而CO2的层间热影响区深度约在1500μm。性能上，Nd-YAG激光的抗拉性能优于CO2，而塑性稍低于CO2，其中Nd-YAG的水平延伸率仅在1%以下，而CO2的水平延伸率也只有2~3%。
Nd-YAG激光制备的钛合金 CO2激光制备的钛合金
图3 Nd-YAG激光和CO2激光制备的钛合金
2008年，美国密西根大学的G.P. DINDA等[22]采用配有实时反馈系统的CO2激光制备TC4生物支架材料，研究表明加入反馈系统后沉积态的表面平均粗糙度约为25μm，通过进一步后续处理，如喷砂或化学清洗，表面粗糙度能达到8微米。光镜下，沉积态组织全是魏氏组织，原始β晶粒呈外延生长，穿越很多道熔覆层，
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并且有层带组织的出现。在扫描电镜下发现细小的α针互相交织呈网篮状，因此又称网篮状的魏氏组织。进一步的，作者通过透射电镜发现，魏氏组织α中存在大量的位错，有些甚至存在孪晶，因此，作者推断组织中存在马氏体α’。性能上，沉积态强度较高，而延伸率仅有4%，低于美国材料与试验协会的标准（10%）。作者对沉积态TC4进行了热处理，温度分别为950℃和1050℃，冷却方式分别为空冷和炉冷。研究表明，热处理后试样的强度有所下降，但延伸率升高，最高达到10.5%，并且发现1050℃炉冷时强度最低，作者认为是由于温度越高，保温时间越长，晶界α越厚，而裂纹容易在晶界形成并扩展，从而导致强度下降。
2004年，美国的S.M. KELLY等[23]采用CO2激光制备了TC4钛合金，研究多层沉积过程中的组织演变，发现除了最后3层外，其他各层均有层带组织，层带厚度约为165μm，层带内组织为粗大的魏氏组织，层带间为网篮状的魏氏组织，并且α板条的大小呈梯度变化，离层带越近的越大。作者认为层带的形成跟热循环有密切关系，第n层顶部的一个窄区受到第n+3层的热循环时，刚好进入β相变区，在特定的时间、温度、冷却速度下而形成粗大的魏氏组织。
2007年，张霜银[24]等采用CO2激光+旁轴送粉的方式制备了TC4合金，研究了不同工艺参数对TC4 合金组织及成形的影响规律。研究表明，随着激光功率的增加，柱状晶的长度变短并逐渐转变为类似等轴晶的不规则晶粒；随着扫描速度的增加，柱状晶变得细而长；当功率与速度的比值大于933W·s/mm 时，晶粒呈现等轴晶形态。另外，Z 轴增量过小会造成重熔深度变大，层间组织粗大；Z 轴增量过大会造成层间熔合缺陷。
2007年，陈静等[25]研究了不同的热处理工艺对激光增材制造TC4组织和性能的影响，研究发现沉积态组织为魏氏组织，α相呈细长针状形态。经过不完全退火后，晶内和晶界的α有所粗化，拉伸时，晶界的阻碍作用增强，因此强度升高而塑性降低。经过完全退火后，α变短变粗，由细长针状变成条状，整个组织呈现均匀化趋势，塑性由5%提高到10%。经过固溶+时效处理后，粗大的原β晶界变得不连续，甚至消失，整个组织由魏氏组织向网篮组织转变，结果使延伸率提高到13.5%，断面收缩率达到40%以上。
2012年，席明哲等[26]研究了热处理工艺对激光增材制造TA15钛合金组织和性能的影响，分别在720℃、940℃、955℃、970℃和1000℃保温1h并空冷。结果表明，随着退火温度的升高，晶内初生α相体积分数减少，β转变组织体积分数增加，且β转变组织形貌由板条状β→层片状α＋β→细小层片状α＋β转变。性能测试表明，当退火温度为940℃时，综合性能最好；当退火温度大于970℃时，其室温性能大幅度降低，这是因为拉伸时，细小的α/β相界上容易产生空洞，在应
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变的作用下空洞扩展到临界尺寸，从而使塑性下降。
综上所述，采用送粉式激光增材制造钛合金是目前国内外的研究主流，成形件的组织在表述上有点差异，但主要的是魏氏组织；性能上，强度基本上能满足要求，但延伸率比较低，通过热处理工艺后，可以获得综合性能良好的成形件。设备上，绝大多数采用的是早期的CO2激光或者旁轴送粉，很少采用光纤激光+同轴送粉方式的。
1.2.4 送丝式激光增材制造钛合金
由于粉末激光增材制造中不可避免的缺陷，比如粉末的利用率很低（20~30%），粉末的污染问题，粉末相对昂贵的价格等。而送丝式激光增材制造不仅材料利用率很高（几乎100%），没有粉尘污染，对设备的要求比较低，更加具有经济性。因此，近些年来，一些机构已经开始将目光转移到送丝的增材制造技术研究上来。目前，应用最多的还是采用TIG电弧熔丝的方式，而用激光的很少。
2012年，英国的FUDE WANG等[27]采用TIG熔丝堆积成形（Wire and Arc Additive Manufacturing ）的方式制备TC4钛合金。研究表明，原始β晶粒呈柱状晶外延生长，除了最后5道没有白色的层带组织外其他每层都有层带组织。顶部是细小的α’针，层带内是粗大的魏氏组织，层带间是由粗大的魏氏组织向细小的魏氏组织梯度过渡。作者认为这种组织的形成与多道沉积过程中复杂的热循环有关。性能上，成形件抗拉强度和屈服强度稍低于基体强度，垂直方向低于水平方向。垂直方向的延伸率均超过12%，超过基体的延伸率，但是水平方向的延伸率较低，约为8%。此外，作者还做了疲劳试验，研究表明，绝大多数成形件均超过107，但仍有部分低于106，这是由于成形过程中丝有部分的污染，从而夹入少量的气孔，疲劳加载过程中，裂纹开始由气孔萌生并扩展，从而使成形件失效。
2010年，比利时的Bernd Baufeld等[28]在大型航空航天部件快速制造（Rapid Production of Large Aerospace Components）项目的支持下，进行了为期42个月的研究，他们采用TIG电弧熔丝（Shaped Metal Deposition）的办法制备TC4钛合金。发现了两种层带组织，一种跟激光增材制造类似，是平行层带，颜色较深，位于成形件的中下部；另一种层带颜色很浅，呈弧状，与成形件顶部的表面轮廓形状相似。作者认为平行层带是在β转变线附近形成，顶部弧状层带是在液相线附近形成。组织观察发现，顶部是细小的魏氏组织，底部是粗大的魏氏组织；顶部处于β相区，冷却速度快，α片层来不及长大，而底部在α/β转变相区受到多次热处理，便于元素扩散，从而使α片层粗化。性能上，作者发现除了跟激光类似的各
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向异性外，还跟拉伸件的位置有关，顶部的抗拉强度大于底部的抗拉强度，这是由于顶部的片层α更细，因而滑移间距更小，位错的阻碍能力强，所以强度高。
2008年，英国的Sui Him Mok等[29-30]采用半导体激光器熔丝制备了TC4钛合金，作者首先研究了送丝方向和角度、激光功率、扫描速度、送丝速度等对单道成形的影响。研究表明，在前送丝，送丝角度为45°时单道成形最好，送丝速度能达到2m/min，沉积效率能达到1kg/h。单道沉积层的宽度主要取决于激光功率，而高度主要取决于扫描速度。随后，作者进行了多层沉积试验，每沉积完一层等到温度降到60℃以下再沉积下一层。组织研究表明，柱状晶晶粒的大小能达到11×3mm，层带内组织为粗大的魏氏组织，而层带间的组织为细小的网篮状的魏氏组织。硬度试验表明，不同参数下的硬度值相差不超过10%，在相同的功率下，扫描速度越高硬度稍微变大。性能试验表明，700℃消除应力处理后，强度和塑性都降低。沉积态抗拉强度和屈服强度分别为987MPa和942MPa，而塑性在10.5~15.5%之间。也就是强度比前面文献中粉末的低，而塑性高。作者认为也许是因为送粉式激光增材制造时更快的冷却速度，从而形成马氏体组织。同时，研究发现性能更主要取决于拉伸方向，而跟参数的影响不大，不同参数下的力学性能相差不大，因而送丝式激光增材制造提供了更宽泛的工艺窗口。
2010年德国的Erhard Brandl和比利时的Bernd Baufel等[31]采用Nd-YAG激光和TIG电弧熔丝成形制备了TC4钛合金。研究表明，激光成形件表面呈暗灰色；而电弧成形有金属光泽，表面呈蓝色或褐色。组织研究发现，激光成形件中部和底部是网篮组织，而在顶部、原β晶界附近和层带组织是块状马氏体（α集束），而电弧成形件的顶部是网篮组织，这是由于激光增材制造过程中更快的冷速造成的。硬度试验表明，激光成形件的硬度从顶部到底部呈线性，大致规律是412-5×D （HV，D为距离），顶部最强约为421HV；而电弧成形件各个区域的硬度差别不大。性能上，激光成形件的抗拉强度和屈服强度约在872~940MPa和791~874MPa 之间，而延伸率在 4.1~12.5%之间；电弧成形件的抗拉强度和屈服强度约在930~981MPa和856~915MPa之间，而延伸率在6.6~20.5%之间，可知本试验中激光成形件的强度和塑性都略低于电弧成形件。
综上所述，目前国外关于送丝式的激光增材制造钛合金研究比较少，而采用TIG电弧熔丝的方式研究较多，国内在这方面的研究还未有报道。一般的，采用TIG电弧熔丝方法制备的TC4钛合金的抗拉强度和屈服强度低于激光增材制造技术，而延伸率要比激光的要高。组织上，TIG电弧熔丝方法制备的钛合金主要以网篮组织为主，而激光增材制造的TC4以魏氏组织为主，这是由于两种方式不同的能量特点和输入造成的。
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1.3 本文的主要研究内容
本文主要采用同轴送粉和旁轴送丝两种沉积方式进行了TC4钛合金的激光增材制造研究，对两种方式的工艺特性、组织、性能等方面进行了研究，同时研究了热处理对其组织和性能的影响，最后对两种方式进行了比较。具体内容如下：（1）同轴送粉式激光增材制造TC4的成形特性研究。主要包括：基础工艺研究，确立合理的工艺窗口范围；立体成形特性研究，重点研究柱状晶定向生长机理和工艺控制；对沉积态TC4进行了室温力学性能测试与评价；
（2）同轴送粉式激光增材制造TC4组织研究和热处理工艺。主要包括：研究沉积态TC4的组织特征，分析组织和性能之间的关系，阐释魏氏组织和层带的形成机理；对沉积态TC4进行了热处理工艺研究，分析热处理后组织和性能的演变。
（3）旁轴送丝式激光增材制造TC4的成形特性研究。主要包括：针对送丝式特有的工艺难点提出相应的解决措施；研究了基础工艺参数对成形尺寸的影响；从工艺控制、组织特征和性能评价三方面对立体成形特性进行了研究；比较了送粉式和送丝式的优势与不足。
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第2章试验条件及方法
2.1 试验材料
本试验所用的基体材料是热轧制态的TC4钛合金板材，尺寸为150×60×6mm，其组织为网篮组织，见图2-1。试验前采用化学清洗的方法除去基体表面的氧化膜
和油污，然后用丙酮擦洗干净，最后放在烘干箱中烘干。
本试验所用的粉末材料为等离子旋转电极法制备的TC4球形粉末，粒度为
-150~+325目（45~100μm），其成分见表2-1。相比于普通的气雾法或水雾法制备
的粉末，等离子旋转电极法因为是在真空环境下制备，因而粉末的气孔率更少，
见图2-2，。
图2-1 基体材料图2-2 TC4球形粉末
表2-1 TC4钛合金球形粉末的化学成分
Al V Fe C O N H Ti
6.1 4.2 0.15 0.02 0.15 0.02 0.004 余量
本试验所用的丝材为?1.2mm的TC4焊丝，其化学成分见表2-2。
表2-2 TC4钛合金丝材的化学成分
Al V Fe C O N H Ti
6.1 4.05 0.30 0.01 0.20 0.03 0.005 余量
2.2 试验设备
同轴送粉式激光增材制造设备主要包括德国IPG公司的10000W光纤激光器，光纤直径选择400μm；德国KUKA公司的六轴机械人，机器人能在X、Y、Z三
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个方向上移动，定位精度在0.1mm；德国PRECTIEC公司的YC52同轴熔覆头，配有冷却系统和保护气系统，熔覆头喷嘴由一个外喷嘴和一个内喷嘴构成，中间留有一定的间隙，粉末和束流气就是从这个间隙流出并呈倒圆锥状汇聚，本试验所用的间隙为0.5mm；德国GTV公司的PF2/2双桶送粉器，通过调节送粉盘的转速可以调节粉末的流量；自制的简易充氩箱，底部开有一个小孔通入氩气，利用氩气密度比空气大的原理，排除箱内的空气，并配有一副手套，可在不打开箱子的情况下进行操作。
（a）光纤激光器（b）KUKA机械人
（c）同轴熔覆头和激光焊接头（d）双桶送粉器
（e）送丝机（f）送丝卡具和保护气喷嘴
图2-3 试验设备
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旁轴送丝式激光增材制造设备主要包括德国IPG公司的10000W光纤激光器，光纤直径选择400μm；KUKA机械人；德国PRECTIEC公司的焊接头；奥地利Fronius公司的KD4010送丝机；自制的简易充氩箱；自制的送丝卡具和旁轴保护气喷嘴。
2.3 激光增材制造过程
（a）同轴送粉式（b）旁轴送丝式
图2-4 激光增材制造过程示意图
同轴送粉式激光增材制造采用的同轴熔覆头焦距为200mm，聚焦下的光斑尺寸为0.27mm，采用正离焦5mm，得到的光斑尺寸约为1.3mm。熔覆头喷嘴与基体的距离约为10.5~11.5mm。本试验主要工艺参数变化范围见表2-3。其成形过程示意图见图2-4（a）。成形过程中的保护气包括：充氩箱中的氩气、同轴保护气、束流气、载气。
表2-3 送粉式激光增材制造主要工艺参数
激光功率
W 扫描速度
m/min
送粉速度
g/min
ΔZ升移量
mm
载粉气
L/min
束流气
L/min
同轴保护气
L/min
300~800 0.12~0.6 0.8~7.6 0.2~0.6 4.3 10-13 5-7 旁轴送丝式激光增材制造采用的是激光焊接头，焦距为190mm，正离焦20mm，得到的光斑尺寸约为3.8mm。本试验主要工艺参数变化范围见表2-4。其成形过程示意图见图2-4（b），采用前送丝的方式。
表2-4 送丝式激光增材制造主要工艺参数
激光功率
W 扫描速度
m/min
送丝速度
m/min
ΔZ升移量
mm
丝的倾角
°
旁轴保护气
L/min
800~1500 0.2~0.8 0.6~1.5 1~1.3mm 20~30 25~50
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；
《增材制造用钽及钽合金粉》 编制说明（预审稿） 一、工作简况 1.任务来源 根据《国家标准管理委员会关于下达2018年第三批国家标准制修订计划的通知》（国标委发[2018]60号）的要求，由西安赛隆金属材料有限责任公司主持起草《增材制造用钽及钽合金粉》国家标准。项目计划编号：20182015-T-610，按计划要求，本标准应在2020年完成。 2.产品概况 钽及钽合金属于难熔金属，它具有特殊的介电性质，低的塑脆转变温度，异常优异的耐蚀性能，同时还是公认的生物相容性最佳的金属材料。钽及钽合金在电子技术领域、航空航天、高温超导领域，原子能工业领域应用广泛，且国外由钽金属制作的高端生物植入体已在医疗植入领域广泛应用。高品质的钽及钽合金粉末是增材制造钽及钽合金的重要原料，采用增材制造技术可开展小批量、复杂形状的钽及钽合金零件的开发与制备，采用钽及钽合金粉末以增材制造工艺制备的目标钽金属零件，其晶粒细小，组织成分均匀，可有效解决传统铸造钽及钽合金材料结晶组织粗大，内部易形成疏松和成分偏析的弊端。此外增材制造工艺可快速制备出预研或设计目标零件，从而大幅降低新品开发速度和响应时间，促进钽及钽合金在各个领域广泛应用。此外，采用钽粉末原料，可以增材制造技术进行高生物相容性骨植入体的定制与生产，满足未来医疗骨植入个性化需求，其在人体骨科修复领域具有巨大的发展前景。 目前国内外市场上，尚无增材制造用钽及钽合金粉末的国际标准、国家标准或行业标准可依，没有相应统一的标准要求和检验验收规范，对粉末的化学成分、形貌、流动性等物理化学性能通常根据生产单位和用户的要求进行，产品的使用工况不清晰，用户无选型和检验依据，各企业性能参数不在同一基准上，阻碍了钽及钽合金增材制造技术的发展和产业化进程，也进一步限制了增材制造钽植入体的临床上的推广应用。 3.起草单位简况 西安赛隆金属材料有限责任公司（后简称“公司”）成立于2013年，是由西北有色金属研究院（后简称“研究院”）发起并控股，依托金属多孔材料国家重点实验室创新平台，以重点实验室在高品质金属粉末和电子束选区熔化成形增材制造相关领域十余年的
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
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。
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[[[]
增材制造用球形钴铬合金粉末 编制说明 （预审稿）
增材制造用球形钴铬合金粉国家标准编制说明 一、工作简况 1.1 项目来源 根据《国家标准化管理委员会关于下达2018年第三批国家标准制修订计划的通知》（国标委发[2018]60号）文的要求，由广东省材料与加工研究所（原广州有色金属研究院）负责组织制定《增材制造用球形钴铬合金粉》国家标准，项目计划编号为20182017-T-610，计划完成年限：2019年。 1.2 本标准所涉及的产品简况 钴和铬是钴基合金的二种基本元素，最初的钴基合金是钴铬二元合金，之后发展成钴铬钨三元组成，而由于添加钼能得到较细的晶粒并能获得较高的强度，又发展出钴铬钼、钴铬钨钼合金。 钴铬合金由于具备高耐磨损和耐腐蚀性，良好的生物相容性，已被用于牙科数十年，目前用来制造人工关节的材料，此外还可用于发动机部件、风力涡轮机和许多其他工业部件，以及时装行业，珠宝等领域。钴铬合金粉末可用于硬面堆焊，热喷涂、喷焊等工艺，也可以制成铸锻件和粉末冶金件。 近年来随着生物医用植入等领域个性化需求的不断增加，增材制造技术被广泛用来制备钴铬合金，从而获得个性化产品。对于增材制造技术而言，金属粉末是关键的原料，它要求粉末球形度高、粉末粒径细小、粒度分布区间较窄、氧含量低、流动性好。 目前，增材制造技术已经从研发转向产业化应用，被称为新一轮工业革命的标志性技术之一。世界各国纷纷将增材制造作为未来产业发展新的增长点重点培育，力争抢占未来科技和产业制高点。我国政府高度重视增材制造产业的发展，将其列入了《中国制造2025》重点发展方向。作为加快制造业转变发展方式和提质增效升级的重要手段，《国家增材制造产业发展推进计划》（2015年~2016年）也已经出台。 随着增材制造技术制备钴铬合金在国内外的快速发展，对球形钴铬合金粉末的需求量越来越大，目前国内市场年需求量达到上千吨，主要应用于生物医用、
附件9 “增材制造与激光制造”重点专项 2017年度项目申报指南建议 为落实《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006－2020年）》和《中国制造2025》等提出的任务，国家重点研发计划启动实施“增材制造与激光制造”重点专项。根据本专项实施方案的部署，现提出2017年度项目申报指南建议。 本重点专项总体目标是：突破增材制造与激光制造的基础理论，取得原创性技术成果，超前部署研发下一代技术；攻克增材制造的核心元器件和关键工艺技术，研制相关重点工艺装备；突破激光制造中的关键技术，研发高可靠长寿命激光器核心功能部件、国产先进激光器，研制高端激光制造工艺装备；到2020年，基本形成我国增材制造与激光制造的技术创新体系与产业体系互动发展的良好局面，促进传统制造业转型升级，支撑我国高端制造业发展。 本重点专项按照“围绕产业链，部署创新链”的要求，围绕增材制造与激光制造的基础理论与前沿技术、关键工艺与装备、创新应用与示范部署任务。专项实施周期为5年（2016－2020）。 1．增材制造 1.1面向增材制造的产品创新设计技术（基础前沿类）
研究内容：研究面向金属增材制造的工艺约束建模方法，结合结构功能与承载性能约束，发展复杂整体结构的高性能轻量化拓扑优化方法，实现结构构型、功能组件布局、多材料梯度布局的整体匹配优化设计；制定面向增材制造的整体结构、多材料梯度结构优化设计的标准规范、软件，形成可供工程化应用的增材制造结构优化设计技术体系。 考核指标：建立增材制造工艺约束模型和实现方法、典型零部件结构优化设计方法及其性能评估模型，可处理100万以上变量及2种以上不同类型设计变量的混合优化；整体结构优化设计实现结构件数量减少50%以上、功能和效能提升15%以上；形成相关设计软件平台、设计标准和规范；实现在航空、航天、能源、动力等领域的应用验证。 1.2高效宽幅微滴喷射阵列打印头的研发（重大共性关键技术类） 研究内容：微滴喷射阵列打印头的流体输送特性、微小液滴形成与喷射过程、打印头寿命影响因素，液滴喷射品质的评价方法；微滴喷射阵列打印头流道结构设计、芯片封装过滤系统设计、MEMS制造工艺和CMOS工艺设计优化及集成方法；智能芯片设计及开发，芯片模块集成方法和校准方式；打印头微滴喷射控制技术。 考核指标：模块化设计，微滴喷射阵列打印头喷嘴密度大于1200个/英寸；单位打印头模块≥100mm , 集成打印宽
增材制造（3D打印）技术国内外发展状况 --西安交通大学先进制造技术研究所2013-07-09 一、概述 增材制造（Additive Manufacturing，AM）技术是通过CAD设计数据采用材料逐层累加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除（切削加工）技术，是一种“自下而上”材料累加的制造方法。自上世纪80年代末增材制造技术逐步发展，期间也被称为“材料累加制造”（Material Increse Manufacturing）、“快速原型”（Rapid Prototyping）、“分层制造”（Layered Manufacturing）、“实体自由制造”（Solid Free-form Fabrication）、“3D打印技术”（3D Printing）等。名称各异的叫法分别从不同侧面表达了该制造技术的特点。 美国材料与试验协会(ASTM)F42国际委员会对增材制造和3D打印有明确的概念定义。增材制造是依据三维CAD数据将材料连接制作物体的过程，相对于减法制造它通常是逐层累加过程。3D打印是指采用打印头、喷嘴或其它打印技术沉积材料来制造物体的技术，3D打印也常用来表示“增材制造”技术，在特指设备时，3D打印是指相对价格或总体功能低端的增材制造设备。 增材制造技术不需要传统的刀具、夹具及多道加工工序，利用三维设计数据在一台设备上可快速而精确地制造出任意复杂形状的零件，从而实现“自由制造”，解决许多过去难以制造的复杂结构零件的成形，并大大减少了加工工序，缩短了加工周期。而且越是复杂结构的产品，其制造的速度作用越显着。近二十年来，增材制造技术取得了快速的发展。增材制造原理与不同的材料和工艺结合形成了许多增材制造设备。目前已有的设备种类达到20多种。这一技术一出现就取得了快速的发展，在各个领域都取得了广泛的应用，如在消费电子产品、汽车、航天航空、医疗、军工、地理信息、艺术设计等。增材制造的特点是单件或小批量的快速制造，这一技术特点决定了增材制造在产品创新中具有显着的作用。 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”，认为该技术改变未来生产与生活模式，实现社会化制造，每个人都可以成为一个工厂，它将改变制造商品的方式，并改变世界的经济格局，进而改变人类的生活
［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
2015-03-19 00:21:03 在过去的近两年时间里，增材制造（AM）金属零件的技术在工业领域引发了巨大的风暴。根据业内专家Terry Wohlers（Wohlers Associates公司）的介绍，增材制造行业在2013年整体增长了34.9%，其中金属增材制造子行业增长超过75%。Wohlers评论说：“过去十年，金属增材制造行业的发展超过了塑料25年内走过的路。包括汽车、医疗以及航空航天在内的需求推动着金属增材制造工艺的突飞猛进。GE航空发动机（GE Aviation）公司打算用增材制造技术来生产他们的LEAP引擎的燃油喷嘴，同时欧洲航空防务及航天公司（EADS）也对用于空客飞机的增材制造结构零件做出了评估，综上表明，粉末床金属增材制造技术已经开始被行业接受。 尽管如此，问题仍然存在，例如工艺的可靠性和成品零件的材料性能的重复性。Florian Bechmann博士（德国OEM设备制造商Concept Laser公司的研发总监）在最近一次接受采访时指出：“在金属增材制造设备领域，越来越多的客户对过程监控和连续生产的能力提出期许，例如工业级的复现性。”激光选区熔化（SLM）增材制造工艺的在线实时监控承诺可以满足上述需求，但是这一监控技术目前还处于发展的初期阶段。在这篇文章里，我们将回顾增材制造研究与设备开发中这一热门技术的现状。 技术基础 激光增材制造（LAM）设备有两种类型：粉末床和送粉式。近期业内较多的关注集中在后者身上，本文讨论的也主要是后者。 图1显示了通用的粉末床系统的原理示意图，在该系统的整个工作区中使用刮板来进行平整粉末的步骤，以在构建平台上建立粉末床，整个过程是在可以控制内部环境的成形保护室内进行。激光能量传递到粉末床的表面，引起粉末的局部熔化和融合，使得该区域的金属粉末固化。
科技论文检索及写作 —金属增材制造技术 学院：材料科学与工程学院 专业班级：焊接1301班 姓名：徐昀华 学号： 130200308 任课教师：张春华 完成日期： 2016.12.29
摘要：金属增材制造技术作为3I)打印技术的一个重要分支，在20余年的发展中取得了显著的进展。 文中简要:回顾了金属增材制造技术的历史溯源，重点从制件组织结构、制件性能、制件微观缺陷、成形工艺等方面分析了针对钦合金、镍基高温合金等常用材料的增材制造技术研究新进展，探讨了增材制造技术发展所面临的技术问题以及需要重点考虑的发展方向。 关键词:金属材料;增材制造;激光快速成形;性能 Metal Additive Manufacturing Technique (Research institute of Additive Manufacturing(3D Printing)，College of Mechanical and Electrical Engineering,Nanjing University of Aeronautics g- Astronautics，Nanjing, 210016，China) Abstract:The metal additive manufacturing technique，as an important branch of 3D printing technique，has made remarkable progress based on the rapid development of materials technique，equipment technique，computer technique，and so on. The evolution history of metal additive manufacturing technology reviewed briefly. The microstructure，the mechanical performance，the micro-defect，and the technological process of product are introduced to discuss the studies on additive manufacturing technique of titanium alloy，nickel-base super，and so on. Some suggestions of technical problems in the development of additive manufacturing technique are put forward. Finally，the main development direction is pointed out. 作为一种全新概念的制造技术，增材制造技术自20世纪90年代出现以来，经过20余年的发展，己经成为当前先进制造技术领域技术创新蓬勃发展的源泉，以“3D打印技术”为全新概念的增材制造技术己经成为当前包括美国在内的世界主要制造大国实施技术创新、提振本国制造业的重要着力点川。中国政府积极推进3D打印技术在制造业的技术创新进程。在工业和信息化部的支持下，2012年成立“中国3D打印技术产业联盟”。2013年，中国3D打印技术产业联盟成功举办首届世界3D打印技术产业大会，并与亚洲制造业协会、英国增材制造联盟、比利时Material公司、德国E()S公司、美国3 D System公司等组织共同发起成立世界3D打印技术产业联盟的号召，高度凸显了中国3D打印技术在全球3D 打印技术创新领域的重要引领作用。作为金属增材制造技术基础研究的支持机构，国家自然科学基金委员会机械工程学科在“十三五”学科发展战略规划设想中明确将增材制造技术作为跨学科学部交叉优先领域进行布局，以进一步提升中国增
增材制造6大技术盘点 什么是增材制造 一般通俗地称增材制造为3D打印，而事实上3D打印只是增材制造工艺的一种，它不是准确的技术名称。增材制造指通过离散-堆积使材料逐点逐层累积叠加形成三维实体的技术。根据它的特点又称增材制造，快速成形，任意成型等。 增材制造的优势 增材制造通过降低模具成本，减少材料，减少装配，减少研发周期等优势来降低企业制造成本，提高生产效益。具体优势如下： 与传统的大规模生产方式相比，小批量定制产品在经济上具有吸引力； 直接从3D CAD模型生产意味着不需要工具和模具，没有转换成本； 以数字文件的形式进行设计方便共享，方便组件和产品的修改和定制； 该工艺的可加性使材料得以节约，同时还能重复利用未在制造过程中使用的废料(如粉末、树脂)(金属粉末的可回收性估计在95-98%之间)； 新颖、复杂的结构，如自由形式的封闭结构和通道，是可以实现的，使得最终部件的孔隙率非常低； 订货减少了库存风险，没有未售出的成品，同时也改善了收入流，因为货物是在生产前支付的； 分销允许本地消费者/客户和生产者之间的直接交互。 增材制造技术盘点 1.光聚合成型技术增材制造 SLA：Stereolithography(立体印刷术)是最早实用化的快速成形技术。具体原理是选择性地用特定波长与强度的激光聚焦到光固化材料(例如液态光敏树脂)表面，使之发生聚合反应，再由点到线，由线到面顺序凝固，完成一个层面的绘图作业，然后升降台在垂直方向移动一个层片的高度，再固化另一个层面。这样层层叠加构成一个三维实体。 2.以烧结和熔化为基本原理
SLS：Selective Laser Sintering，(选择性激光烧结) 工艺是利用粉末状材料成形的。将材料粉末铺洒在已成形零件的上表面，并刮平；用高强度的CO2激光器在刚铺的新层上扫描出零件截面；材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起，得到零件的截面，并与下面已成形的部分粘接；当一层截面烧结完后，铺上新的一层材料粉末，选择地烧结下层截面。SLS工艺最大的优点在于选材较为广泛。 3.以粉末-粘合剂为基本原理 3DP：三维打印技术(Three Dimensional Printing)和平面打印非常相似，连打印头都是直接用平面打印机的。和SLS类似，这个技术的原料也是粉末状的。与SLS不同的是材料粉末不是通过烧结连接起来，而是通过喷头用粘接剂将零件的截面“印刷”在材料粉末上面。
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
硕士学位论文 送粉式和送丝式的钛合金激光增材制造特性 研究 RESEARCH ON LASER ADDITIVE MANUFACTURING CHARACERISTICS OF TITANIUM ALLOY WITH POWDER AND WIRE 章敏 哈尔滨工业大学 2013年6月
国内图书分类号：TG456.7 学校代码：10213 国际图书分类号：621.791 密级：公开 工学硕士学位论文 送粉式和送丝式的钛合金激光增材制造特性 研究 硕士研究生：章敏 导师：陈彦宾教授 申请学位：工学硕士 学科：材料加工工程 所在单位：材料科学与工程学院 答辩日期：2013年6月 授予学位单位：哈尔滨工业大学
Classified Index: TG456.7 U.D.C: 621.791 Dissertation for the Master Degree in Engineering RESEARCH ON LASER ADDITIVE MANUFACTURING CHARACERISTICS OF TITANIUM ALLOY WITH POWDER AND WIRE Candidate：Zhang Min Supervisor：Prof. Chen Yanbin Academic Degree Applied for：Master of Engineering Speciality：Material Processing Engineering Affiliation：School of Materials Science and Engineering Date of Defence：June, 2013 Degree-Conferring-Institution：Harbin Institute of Technology
国科发资〔2017〕294号附件7 ??????????????? 2018???????? 为落实《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006－2020年）》和《中国制造2025》等提出的任务，国家重点研发计划启动实施了“增材制造与激光制造”重点专项。根据本专项实施方案的部署，现发布2018年度项目申报指南。 本重点专项总体目标是：突破增材制造与激光制造的基础理论，取得原创性技术成果，超前部署研发下一代技术；攻克增材制造的核心元器件和关键工艺技术，研制相关重点工艺装备；突破激光制造中的关键技术，研发高可靠长寿命激光器核心功能部件、国产先进激光器，研制高端激光制造工艺装备；并实现产业化应用示范；到2020年，基本形成我国增材制造与激光制造的技术创新体系与产业体系互动发展的良好局面，促进传统制造业转型升级，支撑我国高端制造业发展。 本重点专项按照“围绕产业链、部署创新链”的要求，围绕增材制造与激光制造的基础理论与前沿技术、关键工艺与装备、创新应用与示范部署任务。专项实施周期为5年（2016－2020年）。 2016年本重点专项在2个技术方向已启动12个研究任务的 — 1 —
25个项目，2017年本重点专项在2个技术方向已启动20个研究任务的23个项目。2018年，在2个技术方向启动30个研究任务，拟支持30-60个项目，拟安排国拨经费总概算为7亿元左右。为充分调动社会资源投入，凡企业牵头的项目须自筹配套经费，配套经费总额与国拨经费总额比例不低于1：1。 项目申报统一按指南二级标题（如1.1）的研究方向进行。除特殊说明外，拟支持项目数均为1-2项。项目实施周期不超过3年。申报的项目必须涵盖该二级标题下指南所列的全部研究内容和考核指标。项目下设课题数原则上不超过5个，每个课题参研单位原则上不超过5个。项目设1名项目负责人，项目中每个课题设1名课题负责人。 指南中“拟支持项目数为1-2项”是指：在同一研究方向下，当出现申报项目评审结果前两位评价相近、技术路线明显不同的情况时，可同时支持这2个项目。2个项目将采取分两个阶段支持的方式。第一阶段完成后将对2个项目执行情况进行评估，根据评估结果确定后续支持方式。 1．增材制造 1.1基于增材制造的智能仿生结构设计技术（基础前沿类） 研究内容：探索形状记忆材料增材制造新原理和新工艺，形成与制造工艺匹配的改性技术和可实现热/光/电/磁等激励响应的专用材料；研究形状记忆材料增材制造结构的智能变形行为，揭—2 —
Material Sciences 材料科学, 2017, 7(3), 275-282 Published Online May 2017 in Hans. https://www.doczj.com/doc/872680419.html,/journal/ms https://https://www.doczj.com/doc/872680419.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。