現代3D打印技術在航空鈦合金部件中的應用

3D打印是先進制造業的重要組成部分，近年來該技術取得了重大突破，世界各國均將該技術作為振興制造業的核心技術而大力扶持。美國政府明確把3D打印制造技術作為引領世界制造業發展新方向的最先進的新技術之首。英國技術戰略委員會在“未來的高附加值制造技術展望”的報告中則把3D打印制造技術作為提升國家競爭力應對未來挑戰亟需發展的22 項先進技術之一。3D打印本質上是一種制備技術，材料是該技術發展的基礎和保證，為此世界各國對3D打印材料的研發十分重視[1]。國外研究的3D打印材料涉及鋁合金、鈦合金、鎳基合金、鋼等，研究主題主要有性能調控機制及性能可靠性評價、束流品質在線測量、熔池溫度模擬仿真、應力與變形規律、熔凝過程主動控制及工藝參數智能優化、無損檢測方法、結構優化設計、多元合金體系元素蒸發規律等諸多方面，形成了較為完整的從基礎理論、應用基礎到應用研究的技術體系，并形成了針對金屬直接成形技 術的標準AMS4999。

隨著3D打印技術的推廣和普及，中國制定了一系列有關國家增材制造發展的促進計劃，其中重點將3D打印技術的相關研究和利用放在突出地位，為我國3D打印的應用指明了前進方向。最近幾年，眾多科研機構和重點企業紛紛建立3D打印實驗室和研究中心，并獲得了可喜的成就。

1、基于現代3D打印技術的航空鈦合金部件設計

1.1 確定3D打印參數

激光頻率和掃描速度對粉末熔合性、成形效果等均緊密相關，掃描途徑和掃描速度還和成形器件的尺寸大小、造型精度、成品密度有關系[2]。在激光選擇3D打印設備出廠以前需要具備一定參數的工藝包，在完成安裝調整后，航空企業有必要聯系廠家一同對3D打印設備的參數進行檢校、審核、調準。在批量生產過程中按照研發周期、生產效率、毛坯合格率以及最終驗收標準等對設備參數進行微調整，設備有必要定時安排檢驗、校對3D打印設備的成形尺寸大小、造型精度，設備監管成形室氧氣含量的自我檢查結果，氧氣含量超過0.08% 時有必要及時預警并停止相應工作，否則氧氣含量一旦超標就會對航空鈦合金的成形造成致命漏洞、夾空等冶金缺點。通常來說設備在出廠以前就已經按照用戶需求將上述參數調整結束，英國RENISLAT 公司AM801 型3D打印設備的參數完全開放，用戶能夠按照成形合格率、使用材料、成件復雜度等隨時對設備所需參數進行調改。

1.2 設計實物3D 數字模型

實物3D 模型的設計需要按照3D打印的藝術性和零部件的造型復雜性，來考慮成品毛坯的表現形式、工藝支持設置以及樣品的擺放位置。樣品的調試一般會遵循以下原則：

（1）盡可能將部件較大的一面朝下放置。

（2）需要安排傾斜角的零部件，普遍會根據45°傾斜，以確保支撐添加最小。

（3）對于壁厚在1mm~4mm、高度不超過60mm 的薄壁零部件則采取垂直擺放，具備單件成形的條件。

一般會采取兩種方法來形成三維數字的模型。第一種是利用軟件負向數字化設計完成建模，即通過Auto CAD、UG、Pro/E 等工具構建數字模型，或者是將已存在的二維圖像轉變為三維模型；第二種則是借助逆反技術，利用激光掃描設備對實物進行全方位、多層次的掃描，獲取相關數據，再通過CAD 工具完成三維重建、漏洞檢查、修飾已形成的3D 數字模型。現今企業生產設計絕大部分會利用工業性設計軟件。負向建模是過去經常使用的模型設計技術，主要是按照實物的構造、外形、質量、色彩等特征，通過計算機輔助軟件（CAD）模擬出實物的設計過程。負向建模主要包括實物建模、曲面建模以及參數化建模三種。3D 數字模型的設計絕大部分是借助實物建模法，這種方法對于形狀比較規則的物體設計而言效果較好，其涵蓋了實心數據，包括體積、大小、尺寸等精細化數據，可以滿足基礎性能的計算，還能夠利用數學公理來定義實際應用材料，以便有效計算出實物的質量、重力、摩擦力等物理屬性以及完成工程需求的數學分析，可是其對復雜的、具體化、精細化的、不規則模型設計來說操作比較麻煩。曲面建模主要指的是借助定義曲面來表現出形狀的建模方式。這種方法比較適合用于設計復雜的、精細的、不規則化的形狀。

3D 掃描主要是利用被測物體外在出現的點樣本，之后借助這些點樣本去推測出被測物體的實際形狀和尺寸。絕大部分狀況下需要從多個角度、不同條件下完成多次掃描，獲取到有關的數據信息后，就需要將這些信息儲存在同一個參照體系內進行有機結合，最后得到物體完整的模型信息。在這個過程中必須將掃描獲取到原始信息進行數據預處理，再重新構建它們之間的數學關系，從而形成3D 模型。

1.3 創建鈦合金部件的等溫模鍛

這個環節主要是通過材料的可塑性以及蠕變原理生產復雜鈦合金鍛件，這就要求模具事先預熱并確保溫度保持在750℃ ~1000℃以內；液壓機按照預先設定的值逐步施壓，壓力機的工作速度主要是由毛坯的抗變形能力來完成自動調節的。因為模具主要依靠加熱完成，所以就不需要采取速度較快的活動橫梁來避免急冷。由于鈦合金屬+ 型鈦合金的組成主要是Ti6Al4V，退火組織為+ 相，含有8% 的基礎元素鋁，利用熔合強化使相的強度獲得有效提升，因為鈦的穩定相的能力比較低，因而其退火組織中相的存量比較少，大概只占8%~12%。鈦合金在不同的熱處理和熱加工條件下，基本相、的比例、性質和形態是很不同的。鈦合金的轉換溫度需要控制在1200 度左右，如果將鈦合金加熱至950℃，待其冷卻后所得組織視為初生+ 的轉換組織；若加熱至1100℃、空冷，就會獲得一個粗糙式的完全轉換相組織，稱之為魏氏組織。

1.4 實現3D打印件的無損檢測

航空鈦合金部件制造過程中出現的物理、化學和材料學現象比較復雜，其內部組織和內部承受力及變形、尺寸大小等關鍵均影響到最終成品的質量，這就需要利用3D打印，利用熱處理和靜壓、表面摩擦等后處理確保實物對質量的要求。借助激光選區熔化3D打印件的理化以及無損檢測，能夠進一步提高3D打印件的質量。

2、仿真實驗論證與分析

為保證本文設計的基于現代3D打印技術的航空鈦合金部件設計的有效性，與傳統技術進行仿真實驗論證分析。

2.1 實驗準備

為保證試驗的準確性，將兩種方法設計置于相同實驗環境下，采用同一組航空鈦合金部件樣品，分別對其進行實驗處理，對其打印效果進行比較。

2.2 結果分析

試驗過程中，通過兩種不同的設計方法同時在相同環境下工作，分析其打印效果的變化。具體效果對比圖見圖1。

通過實驗結果可知，本文提出的基于現代3D打印技術的航空鈦合金部件設計，其打印質量遠高于傳統方法，具備較高的實用性和有效性。

3、結語

本文對現代3D打印技術在航空鈦合金部件中的應用進行分析與設計，依托現代3D打印技術的優勢，收集并提取航空鈦合金的特征，實現航空鈦合金部件的制造設計。實驗論證結果表明，本文設計的基于現代3D打印技術的航空鈦合金部件制造具備極高的有效性，希望本文的研究能夠為我國航空鈦合金部件的制造以及現代3D打印技術的推廣和應用提供理論依據和參考。

參考文獻

[1] 李文剛, 謝凝. 航空鋁合金薄壁零件上3D打印技術的應用研究[J]. 科技創新與應用,2019,34(31):159-160.

[2] 高健, 劉立彬, 賀韡, 等. 航空鈦合金零件激光選區熔化3D打印技術應用的關鍵基礎研究[J]. 航空制造技術,2018,61(Z2):87-90+95.

[3] 楊博宇, 陳俊宇, 殷鳴, 等.3D打印技術在燃氣輪機葉片快速制造中的應用進展[J]. 機械,2017,44(3):1-6.