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钛合金增材制造技术研究现状及发展趋势摘要：增材制造技术成型原理是通过计算机中生成部件的三维CAD模型，根据模型的尺寸数据采用激光、电弧等热源将原材料逐层堆积起来形成立体部件的技术，该技术的优点是工艺简单、生产成本低、适用范围广。
为抢占该技术的战略制高点，美国、欧盟、日本等国家相继出台相关政策扶持，有效促进了该技术的向前发展，中国、俄罗斯、新加坡等国也紧随其后，成立相关研究机构。
文中简要介绍了增材制造技术国内外发展团队及领头企业，综述了钛合金增材制造技术的发展现状，重点从钛合金成型工艺的优势及不足等方面分析研究了新进展，探讨了钛合金增材制造技术所面临的不足以及未来发展方向。
一、增材制造行业发展现状1.1 国外发展概况为抢占增材制造这一技术及产业发展的战略制高点，美国、日本、欧盟等主要国家和地区纷纷将增材制造列为未来优先发展方向，制定了发展规划及扶持政策。
美国增材制造研究所是该国制造业创新驱动下的第 1家研究所；德国、英国、澳大利亚、韩国等在各自的科技战略中，不约而同将增材制造作为突破的技术方向之一，有的还出台了相关的技术发展路线图；俄罗斯和新加坡等通过发布研究计划，支持包括增材制造在内的新型制造技术的发展。
1.2 国内发展现状我国增材制造起步于上个世纪90年代，代表性研究机构主要有西安交通大学、北京航空航天大学、西北工业大学、华中科技大学等，在国家和地方政府的支持下，在21世纪初期，部分科研院所就已初步实现了产业化，取得重大进展。
随后国内许多高校和研究机构也开展了相关研究，到2000 年初步实现了设备产业化，并接近国外产品水平，改变了该类设备早期依赖进口的局面。
在国家和地方的支持下，全国建立了20 多个服务中心，设备用户遍布医疗、航空航天、汽车、军工、模具、电子电器、造船等行业，推动了我国制造技术的发展。
但是，我国3D 打印技术主要应用在工业领域，没有在消费品领域形成市场；在产业化技术发展和应用方面落后于美国和欧洲；在技术研发方面，我国增材制造装备的部分技术水平与国外先进水平相当，但在关键器件、成形材料、智能化控制和应用范围等方面较为落后。
关键缺陷对钛合金力学行为影响规律分析钛合金是一种广泛应用于工业和医疗领域的重要材料，其在航空航天、汽车制造、人工关节等领域具有重要的应用价值。
然而，钛合金的力学性能受到多种因素的影响，其中一个重要因素是材料中的缺陷。
本文将分析关键缺陷对钛合金力学行为的影响规律，并探讨可能的解决方案。
首先，我们需要了解什么是关键缺陷。
关键缺陷是指对材料力学性能影响较大的缺陷，例如裂纹、孔洞、晶体缺陷等。
这些缺陷可能会导致材料的强度下降、断裂和塑性变形能力减弱等问题。
在钛合金材料中，裂纹是最常见的关键缺陷之一。
裂纹的存在会导致应力集中，从而对材料的强度产生负面影响。
此外，裂纹还可能引发断裂，使整个结构失效。
因此，研究和分析裂纹的行为对于提高钛合金的力学性能至关重要。
孔洞是另一个常见的关键缺陷。
孔洞的存在会导致材料的强度降低，特别是在孔洞处的应力集中区。
此外，孔洞还会减少材料的塑性变形能力，从而影响材料的可加工性。
因此，研究孔洞行为和控制孔洞形成对于提高钛合金的性能具有重要意义。
晶体缺陷是一类不可避免的缺陷，包括晶界和位错等。
晶界是晶体中不同晶粒的界面，而位错是晶体中原子排列的缺陷。
这些晶体缺陷会导致应力集中，并且对材料的强度、塑性和疲劳性能产生负面影响。
因此，研究晶体缺陷的行为和控制晶体缺陷的产生对于改善钛合金的性能至关重要。
针对关键缺陷对钛合金力学行为的影响规律，研究者采取了多种途径。
其中一种是通过实验研究来分析材料中关键缺陷的行为。
通过对裂纹、孔洞和晶体缺陷等进行力学测试和断裂表征，可以获得关键缺陷对钛合金的影响程度和机制。
此外，还可以通过扫描电子显微镜等方法来观察和分析关键缺陷的形貌和分布情况。
另一种方法是数值模拟。
利用有限元分析等数值模拟方法，可以模拟关键缺陷在不同应力条件下的行为，并预测材料的强度、断裂和塑性变形等性能。
借助这些模拟工具，研究者可以进一步理解关键缺陷的影响规律，针对特定缺陷设计合适的控制策略。
增材制造缺陷形成机理
增材制造（Additive Manufacturing）是一种以逐层添加材料的
方法制造物品的制造技术，广泛应用于3D打印等领域。
然而，在增材制造过程中，有时候会出现一些缺陷，例如气孔、夹杂物、裂纹等，这可能会降低制造品的质量和性能。
增材制造缺陷的形成机理可能由以下几个方面造成：
1. 材料质量：增材制造过程中使用的材料质量可能存在问题，例如含有杂质、纯度不够高等。
这些杂质可能导致制造品表面出现小孔洞或夹杂物，从而形成缺陷。
2. 工艺参数：增材制造的工艺参数包括激光功率、扫描速度、激光束直径等，这些参数的选择会直接影响制造品的质量。
如果工艺参数选择不当，例如激光功率过大或过小，扫描速度过快或过慢等，都可能导致制造品出现缺陷。
3. 热应力：增材制造过程中，材料会经历高温和急剧冷却等热循环，这可能导致材料内部产生应力。
如果热应力超过材料的承受能力，就会导致裂纹的产生。
4. 熔化质量：增材制造的过程中，激光束或电子束等能量源会将材料熔化，然后快速凝固形成固态。
如果熔化质量不均匀或凝固速度过快，就会导致制造品表面出现缺陷。
5. 层间附着力：增材制造的过程中，每一层材料都需要与下一层材料附着在一起。
如果层间附着力不够强，就会导致制造品
层间界面出现空隙或剥离，从而形成缺陷。
总之，增材制造缺陷的形成机理涉及材料质量、工艺参数、热应力、熔化质量和层间附着力等多个因素。
了解这些机理对于优化增材制造工艺、提高制造品质量和性能具有重要意义。
《激光选区熔化成形钛合金内部缺陷及力学性能影响的研究》一、引言随着现代科技的发展，激光选区熔化（Selective Laser Melting，SLM）技术因其独特的优势在金属增材制造领域中得到了广泛的应用。
钛合金作为一种重要的工程材料，其通过SLM技术制造的零件具有优异的力学性能和耐腐蚀性。
然而，SLM成形过程中可能会产生内部缺陷，这些缺陷对钛合金的力学性能有着重要的影响。
因此，对SLM成形钛合金的内部缺陷及其对力学性能的影响进行研究具有重要意义。
二、SLM成形钛合金的内部缺陷SLM成形钛合金的内部缺陷主要包括气孔、未熔化颗粒、裂纹等。
这些缺陷的产生主要与工艺参数、粉末特性、基板预热温度等因素有关。
1. 气孔：气孔是SLM成形过程中常见的缺陷之一，主要是由于粉末颗粒之间的气体未能及时排出而形成。
气孔的存在会降低材料的致密度，从而影响其力学性能。
2. 未熔化颗粒：未熔化颗粒是由于激光能量不足或粉末颗粒过大而未能完全熔化的区域。
这些未熔化颗粒会影响材料的微观结构，导致力学性能的降低。
3. 裂纹：裂纹是SLM成形过程中可能产生的严重缺陷，主要由热应力、残余应力等因素引起。
裂纹的存在会极大地降低材料的力学性能。
三、内部缺陷对力学性能的影响1. 强度与硬度：气孔和未熔化颗粒的存在会降低材料的致密度和微观结构的连续性，从而降低材料的强度和硬度。
2. 韧性：裂纹的存在是降低材料韧性的主要因素。
此外，气孔和未熔化颗粒也可能对材料的韧性产生不利影响。
3. 疲劳性能：内部缺陷会降低材料的疲劳性能，使材料在循环加载下更容易发生疲劳破坏。
四、改善措施及优化建议1. 优化工艺参数：通过调整激光功率、扫描速度、粉末层厚等工艺参数，可以有效地减少内部缺陷的产生。
2. 改善粉末特性：选用合适的钛合金粉末，如控制粉末颗粒大小、提高粉末的纯度等，有助于减少未熔化颗粒和气孔的产生。
3. 基板预热：适当的基板预热可以降低成形过程中的热应力，减少裂纹的产生。
增材制造钛合金残余应力与屈服强度比值增材制造钛合金，听起来有点高大上，其实就是3D打印技术在金属领域的应用。
你可以把它想象成用打印机造飞机零件，没错，感觉就像是在玩拼图游戏，只不过这个拼图的材料可不是纸，而是金属。
钛合金可是个了不得的家伙，轻巧、强韧，很多航空航天、医疗器械里都能看到它的身影。
可是，别高兴得太早，增材制造过程中的残余应力可真是个麻烦蛋。
这就好比你在厨房里做饭，油炸的锅一不小心溅出来，整个厨房都是油迹，清理起来可得费一番功夫。
残余应力，简单来说，就是材料内部由于制造过程留下的应力。
想象一下，一块钛合金在经历了高温和冷却的过程中，就像人类在经历过一场“心灵洗礼”之后，内心深处总会留下些许的疙瘩。
这些疙瘩虽然肉眼看不见，但却会影响材料的性能，尤其是屈服强度。
屈服强度，听起来像个难懂的术语，其实就是材料开始变形的那个点。
你可以想象成一个人被压到极限，终于忍不住反抗的时刻。
钛合金的屈服强度越高，就越能抵御外界的压力，这就意味着它可以在高强度的环境中大展身手。
想要让这对“兄弟”——残余应力和屈服强度——和谐共处，真不是件容易的事。
残余应力像个无形的幽灵，悄悄地潜伏在材料内部，等待着机会来搞点小动作。
一旦它出现，可能会导致材料在使用过程中产生裂纹，严重的甚至会导致结构失效。
这就好比一颗定时炸弹，谁也不知道什么时候会爆炸。
对工程师们来说，这可是个不小的挑战。
处理这些残余应力，就像拆解炸弹一样，得小心翼翼，生怕弄巧成拙。
在增材制造的过程中，控制这些残余应力的方法也多种多样。
有的工程师采用热处理，这就像给材料“洗个热水澡”，让它们舒舒服服，释放一些压力；有的则利用特定的工艺参数来降低应力，就像调节温度和时间，做一锅完美的牛肉汤。
而这些策略的最终目标，就是要让钛合金在使用中表现得更好，更安全。
可能有人会问，那我们到底要怎么评价残余应力和屈服强度的比值呢？这就像在考量一场比赛的胜负关系，两个选手都有各自的优势，谁胜谁负还得看综合表现。
增材制造钛合金tc4的变形及失效机理研究增材制造技术是一种新型的制造方式，它可以快速、准确地将材料加工成所需的形状。
而钛合金作为一种轻质、高强度的金属材料，在航空、航天、医疗等领域具有广泛的应用前景。
本文将从增材制造钛合金tc4的变形及失效机理两个方面进行探讨。
我们来了解一下增材制造钛合金tc4的基本情况。
TC4是一种高温强度和抗蠕变性能优良的钛合金，其成分主要包括Ti(钒)、C(碳)等元素。
在增材制造过程中，TC4可以通过激光熔融成形、电子束成形等方式得到。
与传统的锻造或铸造工艺相比，增材制造具有更高的生产效率和更好的精度控制能力。
随着增材制造技术的应用越来越广泛，人们也逐渐发现了一些问题。
其中最突出的问题就是材料的变形性能和疲劳寿命难以满足实际需求。
这主要是由于增材制造过程中存在的一些缺陷和不足所致。
比如说，在激光熔融成形中，由于材料的熔化和凝固过程受到温度梯度的影响，容易形成内部应力集中区域，从而导致材料的变形性能下降；在电子束成形中，由于材料的蒸发和冷凝过程受到速度场的影响，容易形成表面缺陷和微裂纹，从而导致材料的疲劳寿命缩短。
为了解决这些问题，研究人员们进行了大量的实验和理论分析。
他们发现，要想提高增材制造钛合金tc4的变形性能和疲劳寿命，关键在于优化材料的微观结构和组织形貌。
具体来说，可以从以下几个方面入手：第一，改进增材制造工艺参数。
比如说，可以通过调整激光功率、扫描速度、冷却剂流量等参数来优化材料的熔化和凝固过程，减少内部应力集中区域的形成；可以通过调整电子束功率、扫描速度、偏转角度等参数来优化材料的蒸发和冷凝过程，减少表面缺陷和微裂纹的形成。
第二，引入新型添加剂。
比如说，可以添加一些纳米颗粒或者复合材料作为添加剂，以改善材料的微观结构和性能。
这些添加剂可以在材料中形成一些特殊的位点或者界面，从而起到增强强度、降低变形、提高疲劳寿命的作用。
第三，探索新的材料组合。
比如说，可以将钛合金与其他金属或者非金属材料进行复合，以获得更好的性能表现。
钛合金激光快速成形过程中缺陷形成机理研究钛合金激光快速成形（Laser Engineered Net Shaping, LENS）是一种增材制造技术，通过逐层堆积材料来构建三维零件。
尽管这种技术具有许多优点，如设计灵活性、材料利用率高等，但在成形过程中也容易产生一些缺陷，影响零件的性能和可靠性。
因此，研究钛合金激光快速成形过程中缺陷形成机理对于优化工艺参数、提高成形质量具有重要意义。
钛合金激光快速成形过程中可能出现的缺陷主要有以下几种：1. 气孔：在激光快速成形过程中，金属粉末在高温下迅速熔化并凝固，气体来不及逸出而形成的空洞。
气孔的产生可能导致零件的力学性能下降，甚至引发裂纹。
气孔的形成原因主要包括：熔池中气体溶解度过高、熔池凝固速度过快、熔池中的氧化物夹杂等。
2. 裂纹：钛合金激光快速成形过程中，由于热应力、组织转变等原因，容易产生裂纹。
裂纹的产生可能导致零件的断裂失效。
裂纹的形成原因主要包括：热应力过大、熔池凝固速度过快、组织转变引起的体积变化等。
3. 未熔合：在激光快速成形过程中，由于激光功率不足、扫描速度过快等原因，导致金属粉末未完全熔化，形成未熔合缺陷。
未熔合缺陷会降低零件的力学性能，影响其使用寿命。
4. 球化：在激光快速成形过程中，由于熔池温度过高、冷却速度过慢等原因，导致钛合金组织中的β相发生球化现象。
球化现象会影响钛合金的力学性能，如强度、塑性等。
为了减少钛合金激光快速成形过程中的缺陷，可以从以下几个方面进行优化：1. 优化工艺参数：通过调整激光功率、扫描速度、送粉速率等工艺参数，控制熔池的温度、冷却速度等，有利于减少气孔、裂纹等缺陷的产生。
2. 预热处理：在成形前对基板进行预热处理，可以降低热应力，减少裂纹的产生。
3. 后处理：对成形后的零件进行适当的热处理，可以消除残余应力，改善组织，提高力学性能。
4. 优化设备：改进激光器、送粉器等设备，提高成形过程的稳定性，有利于减少缺陷的产生。
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2018年2月第13卷第1期失效分析与预防February ,2018Vol. 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)01-0043-06Defects 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。
44失效分析与预防第13卷面和局部区域获得的优越的激光/熔凝组织通过多层熔 个三 零件，从而能 性能复杂结构致密金属零件的快速、无模具成形[3_5]。
目前，金属增材制造技术据填充材料方 能束种类的不同可分 光熔积（LMD、 熔丝沉积（EBFF)技、激光选区熔化（SLM)i及 选区熔化(EBM)) 4 种。
其中，SLM EBM形 精度高、表面光洁度好等 ，尤其合于复杂薄壁结 及 腔结构的成形，LMD EBFF主要用于框、梁类 金属结的成形[6]。
以上 都 工周期短、制造 、柔性高、综合性能 等 ，在航空 用的潜力 。
研究 材制造 形 进行缺陷 测分析。
材料为TC4 合金，工 熔融沉积(送丝式境形，分 形用 熔融沉积 进行连接。
对 本 位置取样，磨制金 样，对截面 进行分析统计，对 组织进行观察分析，并探讨成形过程中诱 形成的机理，同工 分析 工程借鉴。
1试验方法致呈工字型，采用中部梁各 侧板单 形 过同工 接成一个的方法，示意图见图1。
，采用超 浸聚焦测法对横梁进行分段C，并对该制件的情况进行统计，然后选取中部梁的连接位置与 接位置、侧板 部梁之间的连接位置与 接位置的 进行物理冶金分析。
超测 对 的表面位置 表面深度进行准确定位和测量，然后对 进行线切取样，受制件结构影响以及确保取样位置的准 确性，的物理冶金分析 样的分析截面不 同，其 部 接位置检查 行堆积方向轴）2个面，其 样只检查了堆积方向轴）截面。
利用StruersTegrPol -35自动磨拋机对典型样磨制截面金相，在八HF): F(HN〇3): F(H20) = 1 :2 :47酸溶，分别利用Leica DMS 1000 体视显微镜、Olympus SZ61 金相 显微镜和FEI Nan。
450场射镜对 类型及形貌进行统计和对缺陷附近金相组织、缺陷 内部形貌进行观察分析，利用FM - ARS9000对 白亮层组织和基体组织进行硬度检查，利用Oxford Max能谱检测仪对缺陷内部氧化皮 夹杂进行成分分析。
图1 钛合金横梁整体结构示意图Fig. 1 Schematic diagram of titanium alloy beam structure2试验结果2.1缺类型与形貌统TC4 合金 的超声检测共统计50个陷，见图1。
根据标准GJB 1580A—2004 AA级要求，把缺陷分为沴< 0•8mm、0.8mm$沴< 1•2 mm和沴>1. 2 mm(々为等效平底孔直径，mm)3个等级，由图2可知，3个不同的验收等级内都有分布，最 量为0.8 + 16. 5 dB，约为2.0mm;另外，在这些统计的 许多面积状缺陷，其当量 0.8mm左右，大部分接区，这从侧面反映 接区的工 常。
在不同位置选取并进行物理冶金检测的深度统计见表1。
图2缺陷分布统计结果Fig. 2 Distribution statistics of defects利用 显微镜、金相显微镜 镜对形貌进行观察，缺陷形式主要 洞，部分孔 洞内部存在夹杂。
孔洞形式不一，具体情况统计 见表2。
部 接位置试样孔洞呈长条状，边缘圆滑，无明显棱角，位于晶粒内部晶界的位第1期高翔宇，高祥熙，姜涛，等:增材制造大型钛合金横梁缺陷分析45表1 各位置缺陷深度检测Tablel Depth detection of defectsPosition Direction of Distance todetection surface surface /mmLap joint between mid-beams丄z丄z 9.43Mid-beam 6.17Mid-beam//z Seen at surface Lap joint between sidepanel and mid-beam丄z Seen at surface Side panel丄z 6.09置，孔内及 未见夹杂（图3a);中部 接位置试样孔洞 ，穿越多个晶粒，形状为不规则多边形，每条边为弧线，弧线延伸至基体，弧线延 伸线上可见小孔洞，部分小孔洞内含夹杂，在平行 堆积方向轴）截面上可见孔洞位于熔覆的 间或道间（图3b〜图3e);侧板与中部 接位置试样孔洞大，穿过多个晶粒，呈狭长形，边缘线或者弧线形，同中部 接位置试样一样，弧线延伸至基体，弧线延伸线上可见小孔洞，部分小孔洞内含夹杂（图3f);侧板 接位置试样孔洞形状为三角形，穿过多个晶粒，附近未见明 显的夹杂缺陷（图3g)。
