《铜业工程》2024年第2期论文《基于钛合金丝材的增材制造技术研究进展》，由西安秦钛智造科技有限公司贺智锋硕士供稿。论文全部作者分别是：贺智锋，赵婧，柴如霞，夏亚锋，李郸，陈肖，舒滢；作者单位均为西安秦钛智造科技有限公司。
钛合金具有高的比强度、比刚度、无磁性和良好的耐腐蚀性能，可以满足轻量化、高机动性、高可靠性和长寿命的设计要求，在航空航天、兵器装备等领域得到广泛应用。然而，钛合金热传导率低、加工硬化、弹性模量低，使得其加工困难，材料利用率低，制造周期长，综合成本高。基于丝材的金属增材制造技术具有沉积效率高、成本低、材料利用率高、交付周期短的显著优势。
基于钛合金丝材的增材制造构件主要由粗大的初生β晶粒和层束组织构成，显微组织主要由马氏体α´和具有网篮特征的魏氏组织构成，不同区域的显微组织不同，导致了不同区域、不同方向的力学性能差异较大。
图1 Ti-6Al-4V脉冲等离子弧增材制造组织演变
图2 电子束熔丝沉积成形Ti-6Al-4V显微组织：(a)第1层；(b)第5层
通过丝材预热、层间冷却等进行增材制造工艺的优化，虽然可以获得部分初生等轴晶组织，但各向异性依然明显。采用层间锤击、辊压轧制、超声振动、激光冲击等方法，可以使沉积金属产生塑性变形，晶粒破碎，增加形核质点，粗大的柱状晶转变为细小的等轴晶，微观组织和力学性能的各向异性明显减小。另外，基于“增材+锻造”复合制造技术，实现钛合金构件的快速制造或构件的修复，其力学性能与传统锻造工艺相当，但工艺灵活性高于传统单一的锻造工艺。
图3 原位微轧制+电弧熔丝混合制造示意图
图4 (a)电弧熔丝增材制造预成形+锻造的涡轮叶片；(c)~(d) 预锻造+WAAM成形的Ti-6Al-4V零件
引入微量元素抑制粗大晶粒的形成和生长，添加微量B，在固-液前沿富集造成成分过冷，抑制原始β晶粒的长大，当B含量为0.05%时，成形的Ti-6Al-4V延伸率保持在8%的前提下，抗拉强度达到1089 MPa，提高了17%；但随着B含量的继续增加，Ti与B原位生成脆性TiB第二相，强度进一步提高，但塑性明显降低。研究人员尝试添加微量的Y、Si、Sn、Cr、Cu、ZrO2、TiN、ZrN等，作为异质形核剂或起到钉扎作用，抑制初生β晶粒的长大，促使柱状晶向等轴晶的转变，改善初生α相尺寸，提高力学性能，均取得了良好的效果。
针对钛合金丝材的增材制造宏观组织表现为外延生长的粗大β晶粒和层带结构，引入循环热处理、脉冲电流处理和超声微锻造+固溶时效处理等新型后处理方法，使针片状α向团状和厚片α转变，马氏体α´和晶界α集束逐渐分解、消失，显微组织由魏氏组织向网篮组织转变，显微硬度、屈服强度和抗拉强度均有所降低，延伸率得到显著提升。
钛合金丝材增材制造大型结构件，存在机械性能不均匀，无法达到高端结构件的“先天不足”，主要原因在于缺少在热-力耦合作用下，迫使金属产生塑性流动，发生动态再结晶。因此，将金属熔丝增材制造与传统锻造工艺结合，利用增材制造成分无偏析和柔性成形、材料利用率高，以及锻造产生塑性变形促进动态再结晶的优点，仅需通过增材制造实现预制件的成形，获得锻造毛坯，相对传统的自由锻，工序明显减少，制造周期和成本均大幅度降低。
根据钛合金丝材增材制造工艺特点，尤其是在化学成分、表面质量、尺寸精度、温度场等对增材制造成形过程稳定性、成形组织等产生重要影响的方面，结合各应用领域要求，针对性地开发专用丝材及成形构件性能评价规范，有助于在各领域大范围的应用，从而促进该技术持续突破和完善。
随着各种技术的不断迭代升级，基于钛合金丝材的增材制造技术在经历了前期的探索、开发阶段，近两年来逐渐在航空航天、国防军工、核电能源等领域开始小批量生产应用，标志着该技术迈入了初级生产阶段，技术和装备也迎来急速发展。
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① 贺智锋，赵婧，柴如霞，夏亚锋，李郸，陈肖，舒滢. 基于钛合金丝材的增材制造技术研究进展 [J]. 铜业工程,2024(2):88-105.
② HE Zhifeng，ZHAO Jing，CHAI Ruxia，XIA Yafeng，LI Dan，CHEN Xiao，SHU Ying. Research Progress of AM Technology Based on Titanium Alloy Wire [J]. Copper Engineering,2024(2):88-105.
doi: 10.3969/j.issn.1009-3842.2024.02.013
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《铜业工程》创刊于1984年，由江西铜业集团有限公司主管主办，是我国铜工业领域全面反映铜产业链技术进步和金属材料科技创新的双月刊。期刊为《有色金属领域高质量科技期刊分级目录（2023）》T3级别，同时被美国《化学文摘》、俄罗斯《文摘杂志》《中国核心期刊（遴选）数据库》《万方数据库》《维普中文科技期刊数据库》等国内外检索数据库平台收录。本刊主要刊登铜、铅锌、稀有金属、贵金属等有色金属在采选、冶金、加工、环保、分析测试等方面的最新科研成果及应用，以及有色金属领域产业数字化、“双碳”战略推进等研究论文和综述文章。
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