TC4钛合金增材制造

传统的钛合金零件制造主要依赖于铸造、锻造和机加工等工艺方法，然而这些方法也存在一些限制。例如，铸造工艺适用于制造大尺寸的零件，但难以实现精细形状的加工。锻造工艺具有较高的加工精度，然而在加工复杂形状的零件时原材料利用率较低。此外，锻造钛合金的尺寸受到严格限制。因此，传统工艺方法在制造复杂形状的钛合金构件方面存在挑战。

与传统的减材制造方式相比，增材制造具有高材料利用率、低加工余量、短生产周期、低原料成本和高灵活性等多种优势。已有研究表明，通过增材制造技术可以一步成型出具有复杂形状的钛合金零件，在材料利用率、形状灵活性以及交付周期方面远远超越传统减材制造方法。通过增材制造可以大幅提高原材料的利用率，而且无需制造专用的模具，从而大幅降低原材料及加工的费用。许多复杂结构的钛合金构件可以通过3D 打印的方式一体成型，既节省制造时间，又可显著提高材料的强度。

由于LAM技术具有高局部能量密度和高冷却速率的特点，该技术可以用来制造具有细小显微组织和高强度的金属零件。使用LAM制造钛合金的主要优点如下：

(1) 高材料利用率和能量效率。钛合金传统制造方式如铸造+切削的买飞比(buy-to-fly ratio)高达10:1 到30:1，而LAM技术制备钛合金的买飞比可接近1:1，显著提升了原材料利用率。通过适当的结构设计和拓扑优化，LAM技术还可以减轻零件重量并减少零件数量，从而降低燃油消耗，提高飞行器的能源效率等。

(2) 几何设计方面具有高自由度。作为一种近净成形技术，LAM具有极大的工艺灵活性，尤其适用于制造复杂形状或定制零件。

(3) 缩短产品交付周期。LAM技术可以做到一步成型，无需过多的后续加工，从而有助于减少制造周期和降低劳动力成本。

(4) 提高零件整合性。由于LAM技术较高的工艺灵活性，在设计过程中可以将多个零件整合为一个零件，从而大大减少装配中的零件数量，并减少与文档、检验、生产计划和控制相关的开销时间和成本，同时组装产品所需的时间和人力也相应减少。

TC4合金是一种适用于激光增材制造的典型合金材料，这是由于其以下特点：(1) 高激光吸收率。TC4合金对激光具有较高的吸收率，使得在LAM过程激光的能量能够被材料有效吸收，从而使原材料更好的熔化并成型。据报道，TC4合金在LPBF过程中对波长为1.07 μm 的激光吸收率高达0.27；(2) 较窄的凝固温度区间。TC4的凝固温度区间仅为3 K左右，液态下流动性好，因此该合金在打印过程中不易形成凝固裂纹和气孔，且打印完成后合金内部的热应力也较低；(3) 较低的热导率。与常用结构合金如钢铁和铝合金相比，TC4 合金的热导率较低，在室温下仅介于10到20 W/(m·K)之间，较低的热导率可以降低打印过程中的温度梯度，从而进一步避免增材制造过程中产生的开裂和产生缺陷等倾向；(4)低热膨胀系数。TC4合金相对较低的热膨胀系数可以降低冷却过程中产生的热应力，从而进一步减少出现开裂的风险。

LPBF和LDED两种工艺都可用于制备钛合金，但两种工艺的特点和主要应用领域则有所不同，两种工艺的示意图如下图所示。

LPBF工艺具有较低的激光功率和较精细的激光束质量，在制造过程中可以提供更高的零件尺寸精度和较低的表面粗糙度，尤其适用于制造具有复杂形状的小尺寸钛合金零件。由于其高精度和优异的力学性能，LPBF 制备的钛合金零件在航空航天和生物医疗等领域广泛应用。与之相比，LDED工艺具有较高的激光功率和较大的光束尺寸，因此LDED具有较大的沉积速率。由于其高加工灵活性和高生产率，LDED工艺更适用于制造大型构件和多材料构件，LDED制备的钛合金零件主要应用于航空航天、汽车、海洋等领域。两种激光增材制造技术本质上都是通过激光扫描来完成沉积过程，有着许多类似的成型参数，如激光功率、扫描速度、扫描策略、层间停留时间等。