北航在定向生長柱晶及單晶鈦合金領域的3D打印技術
鈦合金具有密度低、強度高、屈強比高、耐蝕性及高溫力學性能優異等突出性能優點，在石化、海洋、航空、航天、艦艇、冶金、兵器等工業機械裝備中廣泛用作關鍵高溫結構件。隨著工業技術水平的不斷提高，對高溫鈦合金材料性能及其制備技術的要求愈來愈苛刻。
傳統方法提高高溫鈦合金高溫力學性能的主要方法是對近α鈦合金進行固溶強化、控制β轉變組織及利用少量金屬硅化物沉淀強化。隨著3D打印技術的發展，可制備出具有定向生長挺直柱晶及單晶組織特征的各種形狀鈦合金錠材與各種復雜近凈成形零件，其高溫力學性能尤其是高溫蠕變性能、高溫持久壽命等高溫力學性能較工業鍛造 及鑄造等軸晶鈦合金大幅度提高，可廣泛適用于石化、海洋、航空、航天、艦艇、冶 金、兵器等工業中。本期，3D科學谷與谷友一起來了解北京航空航天大學在這一領域的進展。
晶界是鈦合金等金屬結構材料在長期高溫服役條件下變形、裂紋萌生與擴展的薄 弱環節，更是高溫條件下氧原子向鈦合金內部快速滲透擴散并進而引發嚴重晶界脆性、氧擴散層脆性和零件早期斷裂失效的快速通道。
若能消除高溫鈦合金關鍵 熱端零部件中垂直于受力方向的晶界(即橫向晶界)、制備出具有定向生長挺直柱晶的鈦合金材料，這種材料的高溫力學性能尤其是高溫持久壽命、蠕變強度等高溫力學性能無疑將大幅度提高。再進一步，若能完全消除晶界這一薄弱環節，制備出單晶鈦合金，那么鈦合金零件的性能則會有更為顯著的提高。
然而，由于高溫下鈦的高度化學活潑性，定向凝固過程中高溫鈦合金熔體幾乎會與所有高溫耐火材料模殼發生嚴重的化學反應； 由于鈦合金的導熱系數很低，凝固冷卻速度慢，難以穩定地在液－固界面前沿建立并維持定向凝固所需的冷卻速度與沿生長方向的高的溫度梯度，鈦合金熔體將主要由型壁散熱而在其附近區域大量形核最終長大為等軸晶，當今所有金屬材料定向凝固技術均無法實現鈦合金的定向生長。
北京航空航天大學的增材制造技術是通過在動態密封氣氛可控加工保護室或密閉氣氛可控加工保護室(先抽真空后充惰性保護氣體)中，以高能束流作為熱源，將氣流或重力同步輸送的鈦合金粉末流在普通鈦合金基板上連續熔化沉積或逐層熔化沉積，無模自由成形直接制備具有定向生長挺直柱晶組織、不同截面形狀的鈦合金錠材或任意復雜的鈦合金零件；采用選晶或者使用單晶籽晶的手段，連續熔化沉積可以制備出單晶鈦合金錠材，在單晶鈦合金基板上逐層熔化沉積還可制備出單晶鈦合金零件。
圖1連續熔化沉積方式制備定向生長鈦合金柱晶棒材示意圖
圖2逐層熔化沉積方式制備定向生長柱晶鈦合金板材的示意圖
圖3在單晶籽晶上采用連續熔化沉積方式制備定向生長單晶鈦合金錠材示意圖
具體步驟如下：
第一步：將粒度為-60～+300目的鈦合金粉末放入送粉器中；
第二步：將鈦合金基板放入動態密封氣氛可控加工保護室或密閉氣氛可控加工保 護室中并固緊；
第三步：將純度為99.99～99.999％的高純氬氣或氦氣惰性保護氣體充入動態密封氣氛可控加工保護室中或將密閉氣氛可控加工保護室先抽真空度至10-1～10-3Pa再充入純度為99.99～99.999％的高純氬氣或氦氣惰性保護氣體至常壓；
第四步：導入高能束流熱源，同步開啟送粉器輸送鈦合金粉末，要求鈦合金基板 表面與成形零件或錠材的結合區域表面局部被熔化，其中熱源根據所需制備鈦合金零件或錠材的形狀大小調節其功率、束斑形狀及束斑尺寸等參數，粉末輸送速率根據制 備零件及錠材的形狀大小等要求，與高能束功率、束斑尺寸、掃描速度、單層沉積高 度、連續提升速度(即連續熔化沉積增高速度)等相適配；
第五步：成形錠材或零件過程，通過高能束流熱源加工頭的連續提升(基板不動) 或基板的連續下拉(熱源加工頭不動)，高能束流熱源將同步輸送的鈦合金粉末連續 熔化沉積在普通鈦合金基板上，制備具有定向凝固柱狀晶組織的鈦合金錠材；或利用高能束流熱源將同步輸送的鈦合金粉末連續或逐層沉積在鈦合金單晶籽晶或單晶基板上，制備具有單晶組織的鈦合金錠材或復雜零件；或高能束流光源沿零件CAD模型 斷面切片軌跡掃描，將同步輸送的鈦合金粉末逐層熔化沉積在普通鈦合金基板上，制備具有定向凝固柱狀晶組織的不同形狀及尺寸的鈦合金零件；
第六步：制備的定向凝固柱狀晶或單晶鈦合金零件或錠材冷卻至100℃以下后，打開動態密封氣氛可控加工保護室或密閉氣氛可控加工保護室，將其取出；
第七步：根據需要，對制備的定向凝固柱狀晶或單晶鈦合金零件或錠材進行成分、 組織及性能測試。
本文參考資料：
專利：定向生長柱晶及單晶鈦合金的制備方法-北京航空航天大學專利
EP2985369:METHOD FOR MANUFACTURING SiC SINGLE CRYSTAL
定向凝固與單晶材料制備-豆丁網
來源：3D科學谷
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