中航發(fā)等 ：增材制造600℃高溫鈦合金研究進展

來源：航空材料學報

先進航空發(fā)動機高壓壓氣機550～600 ℃環(huán)境使用的關鍵/重要件對600 ℃高溫鈦合金提出迫切需求。但是，難成形的復雜構件以及梯度/復合結構與功能一體化構件等的制造，采用傳統(tǒng)鑄造、鍛造等工藝技術難以滿足需求和研發(fā)要求。增材制造是先進制造技術的典型代表，擁有材料設計-制造一體化、復雜設計-定制一體化等獨特優(yōu)勢，為600 ℃高溫鈦合金新材料/新技術研發(fā)提供了新的途徑。目前國內外已開始關注通過增材制造的方式制備600 ℃高溫鈦合金，重點研究材料-工藝-組織-性能的關系。

《航空材料學報》期刊中發(fā)表的《增材制造600 ℃高溫鈦合金研究進展》一文，首先簡要回顧600 ℃高溫鈦合金研究，其次重點介紹不同增材制造工藝下600 ℃高溫鈦合金沉積態(tài)和后處理態(tài)的微觀組織特點；在綜合性能研究方面，列舉并分析拉伸性能、蠕變性能、熱疲勞性能和抗氧化性能等關鍵性能；在復雜設計/復合結構章節(jié)，論述以600 ℃高溫鈦合金為基體的復合材料和梯度結構增材制造的研究進展。最后，對增材制造600 ℃高溫鈦合金材料開發(fā)、復合工藝探索、缺陷控制和性能評價標準建立等研究方向進行展望。本期谷.專欄，將簡要分享該文。

600 ℃被認為是傳統(tǒng)高溫鈦合金的“熱障”溫度，在該溫度以上其蠕變性能、組織穩(wěn)定性及表面抗氧化等性能難以滿足服役要求。相比鎳基高溫合金，600 ℃高溫鈦合金具有低密度、高比強和耐腐蝕等突出優(yōu)點。先進航空發(fā)動機高壓壓氣機550～600 ℃環(huán)境使用的關鍵/重要件對600 ℃高溫鈦合金提出迫切需求。然而，對于難成形的復雜構件、梯度/復合結構與功能一體化構件等，采用常規(guī)鑄造、鍛造等工藝技術很難滿足需求和發(fā)展要求。

增材制造（additive manufacturing，AM）是一種革命性的制造技術，它通過“離散-堆積”的形式逐層添加材料來構建三維物體。與傳統(tǒng)工藝相比，增材制造可以實現(xiàn)近凈成形和無模化生產，能夠在縮短加工周期的同時提升材料利用率。此外，增材制造還能將多個零件進行整合加工，降低零件數量和裝配成本；相應的修復技術還能用于關鍵零部件的維護，避免直接更換零件帶來的經濟損失。因此，采用增材制造工藝制備高溫鈦合金關鍵零部件，對推動高性能航空發(fā)動機技術進一步發(fā)展具有重要工程價值。

增材制造600 ℃高溫鈦合金的微觀組織

目前，600 ℃高溫鈦合金的增材制造工藝可分為直接能量沉積和粉末床熔化兩種。根據熱源不同，又可細分為激光熔化沉積、電子束熔化沉積、電弧熔絲沉積、激光選區(qū)熔化和電子束選區(qū)熔化等幾種工藝。

增材制造過程中高溫鈦合金經歷的快熱快冷以及復雜的熱循環(huán)歷史使其具有相比傳統(tǒng)工藝獨特的顯微組織，例如粗大的柱狀晶、層帶組織以及非平衡相等。

△圖1 激光熔化沉積Ti60A合金微觀組織（a）低倍；（b）高倍

就材料體系而言，600 ℃高溫鈦合金屬于Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系合金，其增材制造組織往往還含有硅化物析出相。這些顯微組織也影響著構件的服役性能，使得構件往往具有明顯的各向異性和高強低塑等特點，如圖2所示。

△圖2 電子束熔化沉積600 ℃高溫鈦合金微觀組織

為了獲得均勻組織和良好綜合性能，除調整工藝參數外，還可通過熱處理、熱等靜壓等后處理進行改善。此外，部分研究人員也在探索增材制造工藝與其他制造工藝相結合的可能性。例如，超聲沖擊強化不僅可以提高增材構件的表面質量，還能促進柱狀晶向等軸晶的轉變，改善綜合性能。下圖為結合激光熔化沉積和超聲沖擊強化（ultrasonic impact toughning，UIT）兩種工藝制備的Ti60合金微觀組織，沉積態(tài)試樣底部和頂部由等軸晶組成，中間部分則由粗大的柱狀晶組成，構件內部分布著一定數量的氣孔；經過超聲沖擊強化后，構件表面粗糙度降低了60%，內部孔隙尺寸變小，粗大柱狀晶破碎，等軸晶數量增多，表面形成了納米晶；UIT能提高構件的顯微硬度，減小內部的殘余應力，并使拉應力轉變?yōu)閴簯Α?br />

△圖3 超聲沖擊強化強化前后激光熔化沉積Ti60合金微觀組織（a）超聲沖擊強化前；（b）超聲沖擊強化后。

增材制造600 ℃高溫鈦合金復合材料和梯度結構
為了進一步提高高溫鈦合金的服役溫度和綜合性能，碳納米管、石墨烯、TiB、TiC、氮化物、LaB6等多種納米材料、陶瓷顆粒和稀土間化合物被作為增強相來改善鈦合金的性能，增材制造鈦基復合材料得到廣泛關注。此外，隨著航空發(fā)動機壓氣機葉盤全鈦化及飛機結構整體化的應用與發(fā)展，增材制造工藝也被應用于雙鈦合金梯度結構的研發(fā)。

發(fā)展方向
盡管600 ℃高溫鈦合金的增材制造技術在研究階段取得了令人矚目的進展，但仍然面臨一些挑戰(zhàn)。譬如，探索粉末粒度和級配對增材構件組織和性能的影響；通過增材制造開發(fā)新材料和新結構；探索新的復合增材制造技術；增材制造缺陷控制和智能檢測技術；建立完善的性能評價標準及指標體系。此外，還需要考慮進一步降低制造成本、提高生產效率、提高質量控制和標準化水平。

結語
隨著我國2035新材料強國戰(zhàn)略的實施，增材制造鈦合金材料技術進入創(chuàng)新發(fā)展的新階段。在高性能先進航空發(fā)動機輕量化、服役安全和節(jié)能低碳等發(fā)展需求驅動下，傳統(tǒng)鑄/鍛造鈦合金和新型增材制造鈦合金均不斷得到發(fā)展?！耙淮虏牧?，一代新型發(fā)動機”，當前隨著增材制造600 ℃高溫鈦合金及其復合材料/復合結構的深入研究，技術成熟度不斷提升，將逐漸應用于發(fā)動機關鍵/重要件，助推我國未來航空發(fā)動機技術實現(xiàn)跨越發(fā)展。

論文鏈接：https://jam.biam.ac.cn/CN/10.11868/j.issn.1005-5053.2023.000106#6

論文引用格式
弭光寶，譚勇，陳航，等. 增材制造 600 ℃ 高溫鈦合金研究進展[J]. 航空材料學報，2024，44(1)：15-30.
MI Guangbao，TAN Yong，CHEN Hang，et al. Progress on additive manufacturing of 600 ℃ high-temperature titanium
alloys[J]. Journal of Aeronautical Materials，2024，44(1)：15-30.