高温合金增材制造简述

航空发动机推动着人类的航空历史，其中的涡轮叶片，燃烧室在其服役时需要承受极度的高温。高温合金是指能够承受650度以上高温，并能够在极端压力和腐蚀环境下，同时具有良好性能的高性能材料。所以其普遍运用在燃气轮机、火箭、飞机发动机、核电站、军用车辆和卫星等领域。

航空发动机通常用其推重比（推力/重力）来综合评定发动机的水平，出于轻量化和优化结构等目的，内燃机等高温零部件内部结构复杂，并且对精度要求高。这给传统的制造工艺带来了巨大的困难，传统的制造工艺，铸造、锻造与机械加工结合很难满足其制造要求。增材制造（3d打印）应运而生，在制造复杂几何形状的部件时它具有独特的优势。

增材制造能够生产具有定制材料构成的集成多功能部件，例如梯度材料。图2由增材制造生产的多功能性燃烧室。传统上复杂的航天部件由多个简单部件组装在一起，与激光增材制造一体成型相比，这会降低可靠性和几何精度，同时增加维护成本。在材料使用方面，增材制造的材料浪费约为5%，远低于传统的减材制造，后者浪费高达95%。是第一个获得美国联邦航空局认证的商用喷气发动机 3D 打印部件。

 通用电气 (GE) 使用增材制造加工燃料喷嘴（详见图2-d）不仅减轻重量（减少25%）并降低燃料消耗，而且将成本效率提高 30%。图2-e和图2-f所示的增材制造的燃烧器和喷嘴环是典型环保节能例子，与传统的锻造加工相反，后者会浪费大部分材料。此外，飞机的重量减轻通过使用增材制造实现的组件是一种非常有效的措施降低油耗。商用飞机每减轻一公斤可以节省大约3000美元的燃料，减少碳排放量。

目前金属激光增材工艺主要有以下两大类：

 1.选区激光熔化SLM技术

Meiners等人为了制造高性能复杂金属零件，在1996年首次提出了选区激光熔化技术SLM概念。SLM技术工作流程如图3所示。首先，将刮刀在基板上铺上一层金属粉末，然后用激光束根据零件的截面形状以进行选择性的逐点脉冲扫描，使金属粉末熔化。当激光束移开时，这些熔化的金属粉末会迅速凝固。随后，激光平台将降低一个与层厚相对应的指定高度。重复上述过程，直到制造出整个零件。需要注意的是，工艺参数，如激光功率、扫描速度等，需符合粉末材料和粉末层厚度，以实现致密且无缺陷的零件。选区激光熔化高精度，需要在保护气体中进行，以避免高温氧化。SLM制造的零件通常具有以下特点：

(1)零件密度较高。

(2)由于激光束使零件具有高尺寸精度。

(3)具有非常小的枝晶间距。

但是，SLM 技术仍然存在缺点： 

(1)由于精度较高，制造的效率较低，能制造相对精密的零件。

(2)SLM过程中的会产生难以消除的粉末球化，产生影响力学性能的细孔。

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2.激光金属沉积LMD技术

 激光增材制造方式为激光金属沉积(LMD)示意图，如图4所示。激光金属沉积中工艺参数对成形后的零部件组织及力学性能有着重要的影响。一些工艺参数是受限制于激光立体成形设备，激光立体成形设备主要有：

(1)激光器：激光器是激光立体成形设备中的核心部件，其会输出高密度的能量热源用于熔化成形材料，不同的激光器有着不同的波长，会直接影响材料的吸收率。目前出现的激光器类型有 YAG 激光器、CO2 激光器、光纤激光器和半导体激光器。

(2)数控系统：数控系统也是激光立体成形设备中必不可少的部件，主要是控制激光的走向坐标。除此之外还控制系统的速率和精度。

(3)送粉系统：送粉系统是激光立体成形设备中关键的部件，送粉系统包括送粉器、粉末传输通道和喷嘴。使用时送粉系统性能状态的好坏直接影响成形零部件质量。

(4)气氛控制系统：气氛控制系统是激光立体成形设备中辅助部件。在成形过程中用来保证周围环境的气氛要求，对于一些易氧化的金属加工，这是必不可少的系统。一般气氛保护气是氩气。

(5)检测与反馈控制系统：检测与反馈控制系统也作为一种辅助系统，实时地监控成形过程中的情况，及时做出适当的调整，使成形过程保持稳定。

与SLM相比，LMD的生产周期短，成形速度快，能大大降低生产成本，但是激光金属沉积（LMD）由于粉末和激光束尺寸较大，难以制造几何形状极其复杂的零件，这在一定程度上限制了其应用。，时长00:57

以上是总结了激光立体成形技术的优缺点。

3D打印金属粉末作为金属3D打印产业链最重要的一环，粉末需要满足粒径细小、粒度分布较窄、球形度高、流动性好和松装密度高等要求。所以目前广泛应用航空航天领域的高温合金粉末不是很多：

镍基：

(1)HX，又称HASTELLOY® X 合金，化学成分为NiCr22Fe18Mo，用于航天、能源、化工、和涡轮零件。由于合金的高强度延展性，在850 °C 温度下也具有较强的抗氧化性和蠕变寿命。

(2)IN625，又称Inconel 625。IN625主要用于航空航天工业、能源工业、化学工业以及制造涡轮零件， 其使用温度为650℃。

(3)IN718，也称为Inconel 718，是一种镍铬高温合金，主要用于航空航天工业，能源工业、化学工业，以及制造涡轮零件。由于其高达 700 °C 使用温度和有益的抗氧化性。该合金主要用于制造飞机发动机组件、燃气轮机。 

(4)IN939，也称为Inconel 939，是一种镍基高温合金， 该合金用于航空航天、能源和化学工业制造涡轮零件。由于其高强度、延展性使用温度高达 700 °C， 该合金主要用于涡轮部件的构造。

钴基：

钴基高温合金（CoCrMo）主要应用于航空航天和生物医学领域，也是一种用于选区激光熔化 (SLM) 3D 打印工艺的增材制造材料。钴铬合金 3D 打印的零件具有优异的机械性能、耐腐蚀性和耐温性。

(1)CoCr28Mo6，其具有的优越的生物相容性、耐热性、热疲劳和抗氧化性，主要用于医疗工业制造假肢、植入物和喷气发动机。2015年GE通过采用选区激光熔化（SLM）的方法，采用CoCr合金成功打印出燃油喷嘴，而且实现了量产，至2021，3D打印发动机燃油喷产量高达10万件。 

(2)Co 212、Co 452、Co 502，目前主要应用在医用材料，如人造牙、人工股骨头、人工膝关节等。

国内外现状：

在 3D 打印技术领先企业层面，美国的两个世界最大规模的 3D 打印公司“Stratasys”和 “3D Systems”分别都有数百种商业牌号的增材制造材料销售，可以满足客户很多方面的材料需求。这也是它们可以采取“捆绑销售”设备与材料的底气所在。相比较，我国的金属增材制造领先企业西安铂力特公司有 50 余种金属合金具有成熟的打印工艺，可以用于工业增材制造应用；而塑料 3D 打印领先企业华曙高科公司可以为客户提供近 20 种高分子 3D 打印材料。可见，差距还是十分显著的。这主要是因为这两个我国 3D 打印领先企业成立时间比 3D 打印世界巨头公司“Stratasys”和“3D Systems”晚了二十多年，在体量、积累和技术实力上都有明显差距，短期内尚无足够的力量进行 3D 打印材料的大规模开发。

目前金属增材制造仍存在很多问题，需要重点关注的材料科学问题包括：增材制造全过程非平衡相变及组织演化行为；增材制造热、组织、应力耦合机制及变形、开裂机理；基于金属增材制造非均匀非平衡组织特征的材料合金化及构件强韧化机理；增材制造冶金缺陷形成机制和评价方法。深刻理解这些科学问题，将为优化现有金属合金的增材制造工艺、大幅度拓展可打印合金的种类，以及大规模研发增材制造专用合金奠定科学基础。

参考文献

[1] Tan C, Weng F, Sui S, et al. Progress and perspectives in laser additive manufacturing of key aeroengine materials[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2021, 170: 103804-103862.

[2] S. J. Wolff, S. Lin, E. J. Faierson, et a1.A framework tolink localized cooling and properties of directed energy deposition (DED)-processed Ti-6A1-4V[J].Acta Materialia, 2017, 132: 106-117.

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