增材制造作为开拓制造业发展前景的新兴技术，在航空航天等高精尖领域不断开拓创新，将传统加工与智能化技术融为一体，将会为这些行业带来深远影响和重大变革。为了减轻质量、提高寿命、降低制造成本，航空发动机结构中整体金属构件的使用越来越多，也使得航空发动机关键零部件加工难度大、特殊材料利用率低等长期以来制约航空发动机发展的因素更加凸显。直接利用增材制造生产金属零件的技术构想，是由美国联合技术研究中心在1979年首先提出，其应用对象主要是针对航空发动机的核心部件——涡轮盘。但受当时工业激光器功率及数控技术水平的限制，该项技术并未立即引起太多的注意。自20世纪90年代起，GE、罗罗、普惠等企业和研究机构对金属增材制造技术及其在航空发动机领域的应用开展了大量研究工作，提出了可通过增材制造技术生产的航空发动机零部件，如图1所示。 图1 可增材制造的发动机零部件 截至目前，高性能金属增材技术已经带来了诸多效益，例如，实现了发动机新型号的快速研发、零部件的质量减轻、显著节约了昂贵的金属材质、实现了结构的多样化、延长了部件的寿命和降低了修复成本等。当前，航空发动机领域增材制造技术的应用需求和研究热点，主要集中在降低材料与机加工成本、缩短研制周期、拓宽设计自由度以制造复杂结构整体部件，而风扇/压气机研制所用到的钛合金构件激光熔化沉积增材制造技术更是其中的研究重点。 增材制造在风扇/压气机的应用 1. 整体叶盘 20世纪80年代中期，在航空发动机结构设计中出现了一种称为“整体叶盘”的新构型，如图2所示。整体叶盘把发动机转子的叶片和轮盘制造成一体，省去了榫头、榫槽及锁紧装置等连接件，使发动机整体结构大为简化、结构质量减轻、零件数量减少。例如，美国F414发动机第二级、第三级风扇及前三级高压转子改用整体叶盘后，零件减少484个、发动机推重比由7.5∶1提高到9.0∶1；消除了榫头与榫槽间的气流损失，提高了气动效率，避免了由于装配不当造成的磨蚀，尤其避免了榫头、榫槽间的微动磨损，使发动机的工作寿命和安全可靠性大大提高。 图2 增材制造钛合金整体叶盘 整体叶盘技术代表了第四代、第五代高推重比航空发动机技术的发展方向，成为高推重比发动机的必备结构，是先进航空发动机研制必须采用的核心关键技术之一。整体叶盘增材制造技术将高性能钛合金材料制备与复杂零件直接近净成形有机地融为一体，与发动机钛合金大型整体叶盘传统制造工艺相比，具有成分均匀、组织细小、生产工序少、制造流程短、材料利用率高、制造周期短、成本低等优点，能够实现整体叶盘零件的低热影响、低变形修复。 钛合金整体叶盘增材制造技术已在EJ200、F119、F414、F110等军用和GE90、遄达900、PW300、BR715等民用航空发动机风扇及压气机转子上得到广泛应用。MTU、罗罗、GE、普惠等航空发动机公司从整体叶盘增材制造技术的提出和应用开始，就将有关整体叶盘的技术列为对外高度保密的核心关键技术，积累了几十年的研制经验。 2. 风扇/压气机机匣 1994年，罗罗公司与克兰菲尔德大学合作，开始探索航空发动机机匣的激光立体成形制造技术。2016年，罗罗公司和GKN航宇公司达成协议，扩展双方在遄达XWB-84发动机项目上的合作，GKN宇航公司负责为遄达XWB发动机设计提供高性能中间级压气机机匣，采用了包括增材制造工艺和新的焊接技术等最新设计方法和制造技术，如图3所示。这种由衬套、壳体、肋板等特征形式制造出的薄壁结构的零件还包括航空发动机叶片、燃烧室等，若采用传统的铸造、锻造、焊接、机加等工艺制造，则有周期长、材料利用率低等弊端。相比而言，增材制造能够比较容易地实现大型深径比薄壁结构的制备，可节约更多的研制成本及缩短研制周期。 图3遄达XWB-84发动机中间级压气机机匣 3. 宽弦空心风扇叶片 风扇叶片是涡扇发动机的核心零件之一。罗罗公司于1968年开始设计、制造宽弦风扇叶片，并在RB211-535E4发动机上成功应用。随着气动设计技术、结构技术、材料技术和增材制造技术的不断发展，宽弦空心风扇叶片在航空发动机上的应用更加广泛，罗罗、普惠、GE、斯奈克玛等公司均在各自的发动机产品上推广使用，如F119、遄达800等。宽弦空心叶片的应用改变了流道，减轻了风扇质量，并提高了发动机的推力。受此启发，伴随着材料工艺和增材技术的进一步融合发展，带新型气膜冷却结构的叶片、碳纤维复合风扇叶片、可调节导流叶片的增材制造技术也日趋成熟，如图4所示。 图4 增材制造的钛合金空心叶片 4. 轴承相关件 增材制造技术对轴承相关件的制造工艺主要集中在磨损故障的维修与力学性能的防护上。通过专用金属粉末对轴承、轴承座进行激光增材技术修复，以实现报废品的再生制造能力，节约了成本并缩短维修时间。罗罗公司的遄达XWB-97发动机采用的直径达1.5m的前轴承腔就是通过增材制造技术生产的，如图5所示。   图5 遄达XWB-97发动机的前轴承腔 5. 其他零部件 T25高压压气机温度传感器的外壳是GE公司商用发动机上首个获得美国联邦航空局（FAA）批准的增材制造零件，如图6（a）所示。传感器外壳主要用于保护温度传感器脆弱的电子元器件，防止结冰或被急速气流损坏。GE公司生产的T25传感器外壳于2014年10月完成最终设计，2015年2月通过FAA认证，在第二周就投入了使用，目前有超过400台GE90-40B发动机加装了用增材制造技术生产的T25传感器外壳。 普惠公司在齿轮传动涡扇发动机开发过程中，采用增材制造技术生产压气机静子和同步环支架，如图6（b）和图6（c）所示。借助增材制造技术，普惠公司可以将部件制造成任何形状，这就意味着未来将有更多零件，甚至整个发动机都可能通过增材制造技术制备而成。 图6航空发动机增材制造的部分其他零部件 增材制造技术发展趋势 尽管增材制造在航空发动机领域的应用探索已历经数十年，但在实际应用和推广方面仍处于起步阶段，以下几个方面是今后发展的重点。 1. 专用高性能材料的研发 当前，限制增材制造在航空发动机上应用的关键不是制造工艺，而是材料研发。其中，高性能合金，非金属聚合物，耐高温、防腐蚀、高韧性极限服役环境材料是航空发动机进行增材制造必不可少的原料，也是增材制造大规模应用的瓶颈所在。因此，增材制造专用高性能材料的研发将成为航空发动机领域的重要研究方向。 2. 建立完备的数据库与标准体系 经过多年探索发展，各国的增材制造技术正在逐渐从理论研究走向工程应用，而完备的数据库和标准体系的建立是其中的关键。例如，以国际自动机工程师学会（SAE）、美国材料与试验协会（ASTM）和国际标准化组织（ISO）为代表的研究机构综合多年的研究成果，建立了完备数据库和标准体系，形成了系统的研究方法。增材制造是一个多学科交叉、跨领域合作的热点技术，在未来研究中，需要加强基础理论的预先研究，建立各领域交流合作的共享平台，利用各学科优势互补创新，突破技术难题，形成基础研究和预研技术的体系化发展与规划，建立完备的数据库与标准体系是增材制造技术快速发展的基础条件。 3. 复杂结构的修复与再制造 航空发动机的研制是一个漫长的过程。一代发动机的研制需要10~20年甚至更长的时间，其服役工作的苛刻环境决定了对零件制造的要求极高。在很长一段时间里，金属增材制造的重点是航空发动机零部件的修复。因此，不仅要利用增材制造的特殊工艺研制出高性能的发动机产品，还应利用增材制造技术修复已失效的发动机零件，快速实现低成本的再生制造，延长发动机的寿命，同时节约一定的研制成本。 结束语 面对航空发动机对轻质量、高性能、长寿命、高可靠、集约化的迫切需求，目前基于增材制造并面向系统级、性能高效的功能集成化设计方法仍不健全，批量化增材制造产品稳定性难控制，制约着增材制造在高端动力装备的规模化应用。这也意味着基于增材制造技术，构建稳固创新设计、新型复合材料、特殊工艺制造、修复与再制造全流程技术体系，已成为促进该技术实现增材制造在动力装备规模化应用的重要发展途径。可以预见，随着研究的不断深入和行业的发展，增材制造技术必将给航空发动机制造业带来革命性的变化，机遇与挑战并存。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.航空航天领域增材制造四类典型结构及发展方向 2.系统论述航空航天增材制造3类典型材料及应用挑战 3.3D打印在航空航天领域的研究现状及国内应用案例 4.大型零件增材制造整合设计，看GE增材高级设计工程师如何说 --广告--

这项工作证明了利用增材制造热循环在不改变成分的情况下细化晶粒的可行性。SLM打印态的CP-Ti表现出34.3%的极高塑性，无明显机械各向异性。 增材制造中金属和合金的晶粒细化一直吸引着人们的极大兴趣，它促进了细等轴组织的形成并降低了热开裂倾向，从而在打印态下即可得到均匀且改善的机械性能。通常，增材制造过程中的晶粒细化可以通过与材料或工艺相关的策略来实现。前者通常涉及添加成核颗粒或限制生长的溶质，这在轻金属和合金的常规铸造中已得到充分研究。在过去三年中，此类晶粒细化手段已在铝合金增材制造过程中得到应用。 钛和钛合金由于缺乏有效的成核剂，在增材制造工艺中实现晶粒细化极具挑战性。目前已经表明，通过添加具有高生长限制因子的溶质（例如硼、铜、钨），可以改善增材制造的工业纯钛（CP-Ti）和Ti6Al4V的微观结构，尽管有显著的晶粒细化并因此提高了强度，但由于形成了脆性的金属间化合物，因此牺牲了延展性。此外，大量添加外来元素或颗粒会导致与“标准”成分的显著偏差，从而形成了新开发的钛基合金或复合材料，而非微量改性合金。 不同Cu添加比例的钛合金机械性能 通过调整增材制造过程中的外部和内部加工参数来控制晶粒度也是一种重要手段。研究表明，将高强度超声应用于直接能量沉积（DED），可以将Ti6Al4V的柱状晶转变为等轴晶。然而这项技术不能扩展到粉末床熔融（PBF）工艺，因为超声波会破坏粉末层。因此，调整工艺参数仍然是细化晶粒的常用方法。 通过SLM制备的Ti6Al4V可以通过原位或非原位热处理来控制相组成，从而调整力学性能；SLM制备的CP-Ti在室温下表现为单一的α/α’相，其力学性能在很大程度上取决于粒度。有文献证明，SLM制备的CP-Ti的微观结构通常是沿打印方向的柱状晶粒，这导致了机械性能的各向异性；而EBM制造的CP-Ti的微观结构由细等轴晶粒组成。那么能否通过调整SLM的打印参数实现CP-Ti的原位晶粒细化呢？ 近日，来自昆士兰大学和丹麦技术大学的研究人员揭示了采用SLM制造CP-Ti实现原位晶粒细化的可能性及其潜在机理。制备的CP-Ti表现出34.3%的极高塑性，无明显机械各向异性。这项工作证明了利用增材制造热循环来细化金属晶粒而不改变成分的可行性。 SLM过程中原位晶粒细化的示意图 钛合金经调质处理或淬火后，常出现高密度位错，这与高冷却速度有关。考虑到SLM高冷却速率的制造特点，势必也会形成大量位错，但实际情况是沿打印方向的顶端常具有相对较高的位错密度，而底部则由于不断的热循环加热导致位错逐渐湮灭，造成了一种打印过程中“固有热处理”的效果。在本研究中，使用的较高的能量密度使已打印区的CP-Ti的温度可以保持在再结晶退火的温度范围内，结果导致底部区域原位实现了显著的晶粒强化。 EBSD图对应于样品靠近顶部表面的顶部和下部区域：（a1）和（a2）IPF贴图（黑线表示错误对准角≥15°的边界），（b1）和（b2） KAM图，（c1）和（c2）GOS图（GOS值<1.5°的晶粒被视为重结晶晶粒）。 SLM对CP-Ti的多物理场模拟：（d1）ZX平面（平行于扫描方向）的温度轮廓和速度场，其中黑色轮廓线表示熔池边界，（d2）温度轮廓和速度场在 ZY平面（横向于激光束下方的扫描方向），以及（d3）SLM过程中计算域的3D视图。 同时可以看出，晶粒大小沿打印方向呈现梯度分布。当热循环峰值温度低于β-转变温度时，大循环重熔是一个“固有”退火过程，在此过程中发生再结晶，再结晶的驱动力来自晶粒内部位错的储能。因此，大的母晶逐渐被再结晶晶粒所消耗，导致微观结构强化。 （a）SLM以Ev = 69.4 J / mm3制作的CP-Ti的工程应力-应变曲线（沿构造方向和扫描方向进行测试），以及断层表面的SEM图像和（b）（b）通过不同制造工艺制造的CP-Ti的屈服强度与伸长率 研究发现，较高的体积能量密度有利于晶粒细化。似乎存在一个临界的体能量密度，只要在该能量密度上就可以进行完全的晶粒细化。SLM打印态的CP-Ti的屈服强度为502.2±1.7 MPa，延伸率极高，达到了34.3±0.5％。此外，在沿打印和扫描方向测试的样品中均未发现各向异性。断裂面在较高放大倍数下显示出面积显着减少和韧窝前移，这是典型的韧性断裂。将文献中可获得的拉伸性能数据与当前工作进行了比较，SLM制造的CP-Ti具有很高的数据分散性，但大多数显示出比其常规制造的同类产品（如铸造和退火）的ASTM标准更高的屈服强度。 注：本文内容来自3D打印技术参考，研究原文已上传QQ群。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.可替代Ti6Al4V | 结构应用和增材制造工艺的极佳候选材料 2.快速热处理 | 可平衡3D打印钛合金的强度和延展性，大幅提升塑性 3.中国学者 | 动画揭示激光金属增材制造过程中的熔体流动行为 4.知识回顾：粉末床熔融过程中的冶金问题和质量控制

钛合金是增材制造最常用的材料之一，无论对于航空航天还是医疗，人们都致力于推动该技术的应用。相对来说，绝对大多数的研究集中于Ti6Al4V在增材制造及热处理过程中的组织结构演变和机械性能变化。然而从冶金的角度来说，Ti6Al4V在冷却时不可避免地会形成对综合性能不利的针状α’马氏体（导致强度高、塑性差），热处理过程的可调控范围有限。相比之下，亚稳β钛合金在增材制造冷却过程中通常不会形成α’马氏体，具有比Ti6Al4V更多的热处理选择，对于增材制造来说具有更为广阔的应用前景。此类材料长期以来一直用于具有高强度要求的航空航天应用，如波音787的起落架和直升机旋翼等。在固溶条件下，亚稳β钛合金比Ti6Al4V更容易调控相组成，不仅可以实现高强度，同时能够获得更高的可塑性。尽管价格比Ti6Al4V贵，但确实是结构应用和增材制造工艺的极佳候选材料。 采用SLM工艺制造Ti5553 关于亚稳β钛合金的增材制造研究目前还非常有限。以Ti5553（Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr）为例，由于添加了V、Mo和Cr作为BCC结构的稳定剂，使得该材料在SLM的快速冷却过程保留了β相。通过产生一系列具有不同比例和形态的α和β相的微观结构，可通过热处理来增强或改变3D打印的 Ti5553零件的性能。然而，由于机械性能对微小的加工变化非常敏感，因此研究增材制造的Ti5553对热处理引起的微观结构变化非常重要。 2016年，来自德国的学者证明了采用SLM技术制造此类材料的可行性，所打印的Ti-5553的致密度为99.95%，拉伸强度为800Mpa，延伸率为14%。2019年，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室材料工程部的研究人员则对SLM制造Ti-5553进行了不同热处理条件下的机械性能测试，最高屈服强度达到了1400Mpa。 不同热处理条件下的强度和应变破坏趋势 •通过SLM制造的 Ti5553在300°C热处理条件下，平均极限强度为824 MPa，延伸率为17％。 •在400–500°C之间热处理的样品具有最大的极限强度（最大强度接近1400 MPa），但脆化较为严重（破坏应变降至<2％），目前尚不清楚在此温度下具有如此高强度和低延展性的原因。 •较高的热处理温度会带来延展性的提高，但同时屈服强度和极限抗拉强度会降低。700°C的样品似乎具有屈服强度和破坏应变的最佳组合，具有1000 MPa和14％的破坏应变。 总之，还需要进一步研究整个热处理过程中的组组成变化和时间-温度稳定性，才能充分解释所观察到的力学行为和微观结构演变。 采用电弧增材制造Ti38644 然而，以Ti5553为代表的亚稳β钛合金毕竟是制造大型结构零件的理想选择，SLM技术的打印尺寸受到了极大限制。近期，来自澳大利亚的研究人员对同属亚稳β钛合金的Ti-38644 （Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr），进行了电弧增材制造技术后的热处理研究，发现通过后期时效处理，该材料可实现极高的强度，屈服强度超过了1600Mpa，几乎增加了一倍。 •电弧增材制造的Ti-38644抗压屈服强度为861Mpa，并具有极强的韧性；在300℃/24小时的初始时效条件下，降压屈服强度略有提高，达到910MPa，塑性（破坏应变）降低到约45%。 •随着在高温下的持续时效，即双相时效，α相显著析出，这对合金性能有重要影响。在450℃/24小时的最终时效后，抗压屈服强度显著提高至1622Mpa，这几乎是β-退火条件下合金屈服强度的两倍，大大高于通过金属丝电弧增材制造的Ti6Al4V。不过此时，塑性（破坏应变）仅有约15%。 •在500℃、525℃或550℃下时效24小时，强度在1385-1210MPa，而塑性则在21-27%之间进一步平衡。 A）双重时效对增材制造的Ti–3Al–8V–6Cr–4Mo–4Zr合金硬度的影响；B）与WAAM生产的Ti–6Al–4V相比，每个测试条件下的合金屈服强度和破坏应变 因此，为了保持足够的塑性，500℃-550℃可能会为合金提供更合适的机械性能平衡。而在增材制造零件的热处理过程中，精确控制析出相的尺寸和分布，是获得综合力学性能的关键。亚稳β钛合金相比于Ti64具有更容易控制的相组成，为热处理优化提供了更广阔的选择空间。 增材制造的各种亚稳β-Ti合金的屈服强度 从增材制造的各种亚稳β钛合金的强度图中可以看出，现有的大部分研究发现此类钛合金的强度水平在600-900MPa之间，本文介绍的SLM制造的Ti5553和电弧增材制造的Ti38644具有最高的屈服强度。这些相对较新的亚稳β钛合金可替代常用的α/β合金Ti6Al4V，可以提供包括强度、延展性、抗疲劳性在内的综合力学性能。 注：Ti5553和Ti38644的3D打印研究已上传QQ群。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.两吨材料，数年时间，百万美元，3D打印如何为787客机完成认证工作 2.俄科学家采用新技术为飞机“瘦身”约一吨 3.中科院在增材制造钛合金疲劳性能研究中取得进展，可指导设计和生产 4.快速热处理 | 可平衡3D打印钛合金的强度和延展性，大幅提升塑性

Boom Supersonic是一家成立于2014年的初创企业，其既定目标是实现商业航空的超音速飞行。经过六年发展，该公司于10月7日推出了XB-1“超音速验证机”，成为有史以来第一架自主研发的超音速飞机。 XB-1定制的复合结构包括3700多个零件，包括起落架、飞行控制执行器和冷却系统等。为了解决制造演示机的艰巨任务，Boom大量采用VELO 3D的金属3D打印技术来降低成本并缩短生产时间。 Boom Supersonic的XB-1包含3700多个零件 将VELO 3D的现有技术扩展到了绝对极限 XB-1的许多金属3D打印部件都与空气通道有关，包含复杂的叶片、风道和百叶窗。通过这些部分的一些空气超过了华氏500度，这些零件要求基于曲面的设计方法，几何形状较为复杂。设计人员为兼顾效率和性能，需要考虑空气动力学，为零件进行修剪、倒角和加厚表面来创建实体零件。由此产生的结构非常复杂，无法通过钣金、铸造或其他方式制造，为了同时获得复杂设计和减轻重量的好处，唯一的选择就是使用3D打印。 Boom与VELO 3D为此展开了密切合作，后者为XB-1开发和制造了相当数量用于飞机关键位置的最终用途零件，包括：可变旁通阀（VBV）系统的歧管，该歧管将发动机压缩机释放的空气引导至飞机的外模线（OML）；用于冷却驾驶舱和系统舱的环境控制系统（ECS）的出口百叶窗；将中央进气口的二次引气流引导至OML的百叶窗；NACA管道和两个分流器法兰部件。 BOOM为引导流动而创造的独特结构注重减重和效率，无法用钣金、铸件或任何其他方式来实现 VELO 3D的蓝宝石打印机具有极佳的极限打印能力，通过使用Flow预处理软件，设计人员最终在NACA管道的薄壁上增加了一些结构肋以增加强度，其它绝大多数的CAD数据均保留了原始的设计意图。其非接触式的铺粉方式避免了摩擦和碰撞风险，保证了中央进气口排气百叶窗空心叶片这类具有极高宽高比（大尺寸薄壁）零件的成功打印，并且不需要多余的材料来增加内部强度。NACA管道通常用于高速飞机以捕获外部空气并将其导入飞机以冷却发动机舱 XB-1上装载有21个VELO 3D打印的金属零件，包含大量的钛合金薄壁结构。钛具有极高的耐热性，但如果冷却速度过快，则会变脆并易于开裂。尽管传统技术避免了这个问题，但采用机械加工或铸造也几乎无法制造飞机薄壁零件，这也成为使用3D打印背后的驱动力之一。然而即便3D打印技术可行，VELO 3D的工程师却也坦承，该项目将公司的现有技术扩展到了绝对极限。 XB-1的每台发动机均安装有可变排气阀（VBV）系统。该系统对发动机运行至关重要，它可以排出压缩机空气以防止发动机熄火。左侧的CAD图像来自Flow™预打印软件，外部支撑结构以蓝色表示。左图显示的是导向叶片的翼型，其在打印时没有支撑结构，保留了可优化气流性能的前缘；中间图像为打印完成的三个零件；右图是零件的特写镜头。 可变排气阀（VBV）系统，由双1KW激光器制造 Boom设计了一系列新型零件来实现减重，真正推动了减轻重量和薄壁几何形状的发展。VELO 3D的过程控制十分重要，从Flow预打印软件开始，通过Sapphire系统执行，并经过Assure的质量保证进行验证。预构建机器校准可通过点击自动检查关键变量，如激光对准、光束稳定性、粉末床质量等等，打印过程中也可计量监控各种关键指标并标记这些异常。所有部件的综合构建报告被编译并保存以备将来参考。 XB-1的VBV机身歧管上的内部流道完全没有支撑结构，节省了材料、后处理时间和劳动力。左边是歧管顶部，右边是底部。 与Stratasys合作开发相关工具、原型和测试零件 当零件在线切割完成后，精加工往往面临新的困难。零件的几何结构使创建夹具变得复杂。在XB-1零件的精加工过程中，工程师借助零件的CAD模型进行快速设计。通过与Stratasys合作，Boom利用F370和Fortus 450mc 3D打印机开发了200多种与XB-1相关的工具、原型和测试零件。两家公司达成了一项长期协议，该协议超出了原型应用的范围，Stratasys的F900打印机已经用于生产Boom超音速飞机的最终用途零件。 金属3D打印的成品零件需要经过热处理和/或热等静压处理来提高疲劳寿命。当飞机在起飞和着陆时零件会周期性地加载，超音速飞行也引入了许多不同的现象和压力。在很多情况下，飞机的整体结构会围绕部件弯曲引起应变，当具有不同热膨胀系数的零件相互安装时，也会产生很大的应力（碳复合材料、铝合金和钛合金）。将这些3D打印部件设计的非常薄而且灵活，实际上可以减轻一些此类问题。 END Boom Supersonic和VELO 3D实际上于2019年才建立合作伙伴关系，其独特的SupportFree打印过程可实现前所未有的设计自由度和质量控制，从而消除了制造商对飞机设计创新的限制。 XB-1是世界上第一个独立开发的超音速喷气飞机，也是多年开发工作的最终产品，它已经进行了多次风洞试验、数十种结构测试、数百次仿真迭代以及数万个小时的工作。XB-1将于明年在莫哈韦沙漠中进行试飞，该公司预计首个制造工厂将于2022年建成，首架商用机将于2025年制造完成，预计在2029年进行首飞。 注：详细案例研究PDF请查询qq群。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.为规避SLM的制造局限性，航空航天公司选择新型金属3D打印机 2.EOS：SLM无支撑制造的可能性和局限性 3.金属3D打印企业（产品）差异化竞争的六个实例 4.VELO3D无支撑金属3D打印材料性能数据报告

近日，通用电气宣布其旗舰民航发动机GE9X经过将近5,000小时和8,000个循环的测试后取得FAA适航认证。这是为其新型双引擎波音777X系列飞机提供动力的里程碑事件。 GE航空集团总裁兼首席执行官JohnSlattery介绍：“要想创造出改变游戏规则的产品，例如GE9X发动机，就需要世界上最出色的喷气推进技术方面的人才。“没有其他航空发动机能够实现像GE9X发动机这样在尺寸，功率和燃油效率方面如此完美的结合。这款发动机将为我们的航空公司客户提供无与伦比的价值和可靠性。我要祝贺整个GE9X团队，并感谢波音，我们的合作伙伴和供应商在这一令人难以置信的成就方面的合作。” 搭载GE9X航空发动机的波音747飞行测试平台目前GE航空已经取得600多个GE9X发动机的订单和承诺304个增材制造零件，涵盖七大类型 GE9X作为一款巨大的高旁通比涡扇发动机，拥有304个3D打印的零件，首次将多种材料和打印工艺投入到单一航空发动机的生产中。基于此，GE航空建立了第一个增材制造技术工业化航空航天供应链。 GE9X中七个增材制造部件分别是： 燃油喷嘴 T25传感器外壳 热交换器 粒子分离器 5级低压涡轮(LPT)叶片 6级涡轮(LPT)叶片 燃烧室混合器 识别出适用于增材制造的GE9X组件非常复杂。作为第一个获得FAA认证的增材制造飞机发动机部件，以及在LEAP发动机上取得的成功经验，T25传感器外壳和燃油喷嘴成为第一批被选择的部件。热交换器和粒子分离器的3D打印一体化制造显示了GE航空制造转型的巨大努力，而采用该技术进行涡轮叶片的制造则是一次巨大的飞跃。LPT叶片的3D打印制造非常困难，采用电子束粉末床技术制造的TiAl合金相比传统的镍基合金轻50％左右，具有更加优异的强度重量比，使整个低压涡轮机的重量减少20％，同时将使GE9X提高了10％的推力。 GE航空指出，采用增材制造进行批量生产，需要仔细规划、对潜在风险的认识以及对细节的极大关注。如果方法得当，增材制造可以带来巨大的益处，如缩短生产周期、节约成本、整合零部件数量、减少浪费，提高可持续性和加强供应链等等。显然，GE航空取得了成功。 GE9X的9大亮点 1. 134英寸的复合材料风扇机匣，是全球商用发动机中最大的，比波音737飞机机身还要大。 2. GE9X有300多个增材制造零件。除GE9X之外，GE Aviation及其合资企业CFMI目前还拥有另外四个通过了FAA认证的3D打印零件。这些零件是用于GE90-94B的T25传感器，CFM LEAP燃油喷嘴头，GEnx-2B电动门开启系统（PDOS）支架和GE Passport空气油分离器。 3. 尽管尺寸很大，但按每分贝推力磅数计算，GE9X有望作为有史以来生产的最安静的GE发动机投入使用。 4. GE9X引擎安装了第四代复合风扇叶片。GE的首个复合材料风扇叶片于1995年开始在GE90-94B发动机上投入使用。GE及其合资企业CFMI在过去25年中使用复合材料叶片累计飞行时间超过1.38亿小时。 5. GE9X发动机中的16个复合材料风扇叶片是GE商用喷气发动机最低数量。GE90发动机有22个风扇叶片，GEnx有18个风扇叶片。较小的CFM LEAP发动机有18个复合风扇叶片。 6. GE9X创造了一项世界纪录，在2017年11月10日于俄亥俄州皮布尔斯的GE室外测试设施进行的工程测试中，产生了134,300磅的推力。GE90-115B在2002年创下了127,900磅的推力纪录。 7. GE Aviation在其波音747飞行测试床上进行了72次GE9X测试飞行，总计超过400小时。首次试飞于2018年3月8日在加利福尼亚州维克多维尔升空。 8. GE9X发动机中有五个陶瓷基复合材料（CMC）组件，包括第一级高压涡轮（HPT）护罩，第一级和第二级HPT喷嘴以及燃烧室的内衬和外衬。GE航空在商用发动机中运行CMC零件方面拥有超过800万小时的经验。GE于1986年获得了有关CMC材料的第一项专利，并一直在继续开发这种材料。通用电气已在该技术上投资超过15亿美元，并在美国建立了第一条垂直整合的CMC供应链。 9. GE9X发动机的总压力比为60:1，是所有使用中的发动机中最高的压力比。这意味着发动机可以最有效地利用进气，从而提高燃油效率。 欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.GE9X发动机：多材料金属3D打印航空应用的集大成者 2.GE Additive：连续增材生产是一场马拉松，而非短跑冲刺 3.GE喷嘴真相：3D打印制造的仅是喷嘴头，但效益空前巨大 4.美国航空业成就GE增材，中国航天崛起能否再造铂力特？

在粉末床激光熔融技术中，材料从生产、运输、储存到打印以及循环使用过程中，粉末在整个工艺链中一直处于多种机械和大气环境之下，粉末颗粒的化学成分和形状，以及整个粉末材料的特性，可能会受到大气、温度、湿度以及外力等因素的影响。 本文讨论了TC4粉末在整个工艺流程中潜在的重要影响因素，研究结果可用于其他粉末处理和管理，确保材料在整个使用寿命内的质量，使SLM工艺更加稳健和可靠。 粉末生产因素为了评价粉末的特性和批次稳定性，研究了TC4（5级）三种不同工艺（气雾化EIGA、等离子雾化PA、电感耦合等离子雾化ICPA）生产的相同规格、两个批次的粉末，分别测定这些粉末的粒度分布、颗粒形貌以及流动性。 结果显示，三种粉末颗粒的尺寸均在15-65微米之间，呈高斯分布，但PA和ICPA粉末与EIGA粉末相比显示出更宽的粒度分布。霍尔流量计测量的流动时间在14.6s-16.1s的范围内，说明所有粉末和批次都具有良好的流动性。电镜结果显示出，三种粉末都具有高球形，不过EIGA粉末颗粒有些轻微拉长，而ICPA粉末含有不少卫星粉。 三种工艺生产的粉末粒度分布 EIGA、ICPA、PA工艺生产的粉末形貌 为了评估每批粉末的可打印性，在SLM 250HL设备上进行工艺调试，得到32个不同的参数集。对于每组工艺制备的试样，分别进行孔隙测量和分析。 密度块的测试结果显示，所有粉末（不同工艺和批次）都可以获得密度高于99%的立方体。应注意的是，每种粉末和批次可能适用不同的工艺。 不同粉末打印能量密度与致密度对应表 因此可以得出结论 不同工艺生产的粉末颗粒形状和尺寸分布有差异。 每种粉末和每个批次均可以通过工艺调试得到致密度达99.9％的零件（这也意味着，粉末的这些差异导致了相同工艺的不适用）。 粉末储存及运输因素为了研究运输和储存过程中（如温度和湿度）的影响，将商品化的粉末容器储存在人工气候箱中，该气候箱的温度保持30°C恒定，相对湿度在12天内从20%增加到95%，每天取样进行表征。 温湿度场景 结果表明，在按照体积进行统计时，D10、D50、D90的数值并未有明显变化；如果按颗粒数进行统计（不同尺寸颗粒的数量所占的百分比，如图中D90表示有90%数量的颗粒尺寸是小于X微米的），可以发现粉末出现明显的粗化行为。因此可以假设，随着湿度的增加，较小的颗粒粘附在较大的颗粒上，造成了粉末尺寸的变化，且霍尔流量计测量的流动时间从15.1s减少为14.5s（也即随着时间推移，颗粒出现团聚）。 随时间延长，粉末的粒度分布（分别以体积和颗粒数进行统计） 为研究粉末储存时是否需要氩气保护，将两个粉末容器在30°C和30％相对湿度的相同条件下存储。一个容器一直完好存储，另一个容器的保护气氛通过一次打开过程而被破坏。在十天的存储期后，制备了用于机械测试和元素测量的样品。 拉伸试验的结果显示，在有保护气氛和无保护气氛下，试样的极限抗拉强度基本一致；潮湿环境下储存的粉末，其极限强度最高，相比干燥粉末打印的试样略微提高了5%，而延伸率下降严重。气体含量测量证实，潮湿环境下，试样的氧含量比干燥环境下高约10%，这导致了材料脆化。 粉末在潮湿环境、氩气保护和无氩气保护下的打印件的力学性能 不同储存条件下试样的氢氧氮成分含量 该部分的主要结论 粉末存储环境的湿度对粉末的粒度分布影响不大，但潮湿的环境仍然会造成细粉团聚，并增加氢氮氧的吸收。 氩气保护气氛对粉末和零件性能无重大影响。 单层连续扫描面积的影响为了研究3D打印过程中的粉末粗化行为，研究人员将激光连续扫描的面积与飞溅物形成的总量联系起来设计了一项实验方案。实验分为四组，所有打印零件的总体积一样，但零件数量被分割为1、4、16、64个。每次打印完，测量粉末粒度。 体积相同，但单层连续扫描的面积不同 测试结果发现，四种打印方式最终的粉末粒度并没有显著差异，证明连续扫描面积对粉末粗化没有影响。 不同连续扫描之后的粒度平均分布 不过，所有样件均可以检测到氮和氧的吸收，尤其是对于“1:1”的样品吸收量非常高。对于原始粉末，测得氧含量为841ppm，氮含量为178ppm。研究人员认为，较大的连续扫描面积会导致样品温度升高，从而增加了结构对气体的吸收亲和力。 不同连续扫描面积样品的氮氧吸收情况 针对粉末循环使用对产品质量稳定性产生的影响，设计的实验方案为，同一批粉末连续打印17次，期间均未加入过新粉，每次打印完成后，对粉末进行彻底筛分；每次制造工作开始前，会对该次实验的粉末进行粒度测试。所制备的样品进行拉伸试验测试，并测定气体含量的吸收，所有样品均在打印态条件下测试。 测试的结果显示，粉末粒度D10、D50、D90随循环次数的增加均没有明显的变化。D90值的数字高偏差可能是由于采样不足造成的。 粉末循环使用过程中的粒度变化 力学性能的测试也没有发现明显变化，屈服强度的略微增加和伸长率的降低，可以认为仅有轻微的脆化。 不同循环下的力学测试结果 脆化可以通过随着循环次数的增加氧含量的变化来解释。从试验开始到结束，氧含量的吸收增加了约20%，这可能是由于随着循环次数的增加，粉末中含氧量较高的飞溅物越来越多导致的，这一现象在对AlSi10Mg的研究也发现了类似的结果。 不同循环次数下的氮氧氢吸收情况 本部分得出的结论 在连续大区域扫描时，氢氧氮的吸收会增加。为避免在工业应用中出现这种现象，应当注意打印方向和扫描策略，以使这种影响最小化。 在17个生产周期后，检测到氢氧氮的含量增加了约20％，材料出现脆化趋势。 对不同循环次数下，SLM成形试样的力学性能对比研究发现，力学性能与粉末循环次数无明显的关联。 END 这项研究的结论有一定的指导意义，但还不足以作为本行业粉末管理的标准。一直以来国内也有类似的研究，在结果上有一致也有差异，有兴趣的读者可以拿来对比，作为参考。 在实际的工业生产中，粉末的保存应当保持干燥，不定时的补充新粉也可以作为保证质量的有效途径。随着研究的深入，粉末的管理应当逐渐有一个明确的标准。 注：本文仅限于参考，谢绝转载至微信以外平台。欢迎转发联系笔者：2396747576;技术交流和资料下载群：867355738；网址：延伸阅读： 1.粉末可回收性因素对金属增材制造的影响 2.粉末粒度分布和微量元素差异造成的金属3D打印质量问题 3.粉末床熔融过程中的冶金问题和质量控制

由于工业应用领域的需求，3D打印材料的疲劳性能（尤其是超高周疲劳性能）和相应的疲劳机理成为增材制造研究领域亟待解决的科学问题之一。 在《EOS如何提高材料的疲劳性能》一文中，我们介绍了EOS通过优化的打印工艺配合热等静压来提高钛合金疲劳性能，而中科院力学所近期连发两篇论文不仅给出了增材制造零件特殊的疲劳机理，还从设计和制造两方面提出了提高疲劳性能的建议。本期，3D打印技术参考来介绍该研究的主要内容。 钛合金是工业应用的重要材料 中国科学院力学研究所金属材料微结构与力学性能课题组近期在增材制造钛合金(Ti-6Al-4V)疲劳特性上开展了系列研究工作。课题组对增材制造钛合金进行了疲劳性能测试，获得了材料高周及超高周疲劳性能。通过对疲劳断口观察，报道了增材制造钛合金高周及超高周疲劳裂纹均萌生于材料内部孔洞及未融合缺陷(与打印方向无关)，并形成“鱼眼状”断口形貌的新现象。这和传统锻造金属材料的疲劳特征与裂纹萌生机理大不相同。 高周、超高周疲劳测试试样   S-N曲线、超高周疲劳强度统计分布 根据裂纹源尺寸的分布特征，构建了疲劳性能与裂纹尺寸之间的统计关联。基于材料疲劳寿命数据和疲劳裂纹缺陷尺寸，进行了概率统计分析，得到该材料的高周、超高周疲劳失效概率与疲劳寿命、外加载荷的关系。此外，为进一步探索疲劳裂纹扩展特性，课题组利用原位疲劳加载装置，获得了不同温度下、不同制备取向的Ti-6Al-4V裂扩展速率，揭示了不同取向增材制造钛合金疲劳裂纹扩展的机制。 不同温度、不同制备取向，裂纹长度随疲劳周次变化 主要结论 1. 发现材料的疲劳性能与打印方向有关，水平打印试样的疲劳性能优于倾斜45度和垂直打印的试样，后者相比水平样品有更多和更大的缺陷和未熔颗粒。 2. SLM过程中形成的缺陷会影响裂纹的扩展行为，局部结构如缺陷和夹杂的不均匀性改变了裂纹扩展路径，降低了裂纹扩展速率。 3. SLM制备的Ti-6Al-4V试样的裂纹扩展速率随温度的升高而增大。高温下裂纹扩展过程中会产生大量二次裂纹。二次裂纹的分支释放了裂纹尖端的能量，从而减缓了裂纹的扩展。 采用SLM制造的复杂结构零件经常受到循环载荷的作用，疲劳强度是工程应用的一个基本特性。基于以上发现，为了提高零件的疲劳强度，首先要用有限元法进行力学分析，找出结构中的薄弱点，然后根据本研究的结论，选择有利于薄弱位置的打印方向，那么整个复杂零件的疲劳强度都会得到提高。 本项研究的结果为从构建方向的角度设计结构提供了一个方案，在更深入的研究中，还会涉及到结构设计优化的问题，这需要进一步的精确研究。 END 该研究不仅为增材制造钛合金的工程应用提供了有效的疲劳性能数据，同时，对于探索增材制造钛合金的裂纹萌生及扩展机制奠定了理论基础。 此外，该研究得到了国家自然科学基金重点项目、中科院率先行动计划项目支持。相关工作近期发表在疲劳研究领域期刊International Journal of Fatigue，并得到国际同行的高度评价，作者为钱桂安研究员。 注：部分内容参考自中科院之声，研究原文已上传。 欢迎转发 联系笔者：2396747576;技术交流和资料下载群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.看EOS如何提高材料的疲劳性能（内附一种无支撑工艺方案） 2.北航最新Science: 3D打印抗疲劳高性能材料—镍钛合金 3.今日Nature：新型3D打印超强材料—钛铜合金 4.快速热处理 | 可平衡3D打印钛合金的强度和延展性，大幅提升塑性

与锻造技术相比，采用SLM技术生产的Ti6Al4V零件通常具有更高的强度，材料力学性能具有明显的各向异性，而塑性较差。这是由于SLM过程所形成的典型显微结构所致。通常情况下，金属打印的零件可以通过热处理来改善微观结构，提高材料的延展性。本文我们要介绍的研究来自诺丁汉大学，其研究团队通过一种特殊的快速热处理方式，将3D打印的Ti6Al4V延展率提升到了16%以上，实现了强度和塑性的平衡。 研究人员所制备的试样尺寸为直径9mm、长度60mm，采用EOS M290垂直基板建造。通过测试，打印态的强度虽达到1240Mpa，但延伸率仅为5.2%（通常会高于该数据），无法满足ASTM F3001/14的要求。在经过常规去应力退火后，塑性提升至11%左右，但这仍低于标准。研究团队采用了一种特殊的快速热处理方式，发现断裂伸长率可以达到16%以上，且屈服应力和极限抗拉强度仍在可接受的范围内。 打印态、去应力退火、ASTM标准以及快速热处理条件下TC4的性能 作者对比分析了打印态和经过快速热处理的TC4钛合金晶粒尺寸变化。发现经过快速热处理后初生β相的晶粒尺寸变小，打印态由于粗大柱状晶产生的取向织构也消失了。快速热处理后样品中的大角度晶界比例增加，预示着其发生了再结晶。 打印态和快速热处理条件下的拉伸曲线 通过对Ti6Al4V打印态、热处理态以及锻造试样测试，发现快速热处理能够实现3D打印钛合金强度和延展性的平衡，且不会影响拉伸性能。 总的来说，经过快速热处理后，采用SLM制备的TC4钛合金强度略有下降，但延伸率大幅提升，且初生β相晶粒尺寸发生细化，这对于提升TC4钛合金的疲劳和断裂韧性极为有利。 本研究提出的热处理方法对于增材制造制件获得准等轴晶提供了一种思路。并且有可能应用到钢材和镍基高温合金热处理中，减小增材制造工艺所造成的取向问题并提升材料的疲劳强度。 注：研究原文已上传QQ群。 欢迎转发联系笔者：2396747576;技术交流和资料下载群：867355738；网址：延伸阅读： 1.顶刊：3D打印出1.4GPa超高强度钢，致密度达99.25% 2.【高被引综述】增材制造制备新材料的研究进展 3.最新研究：硅可以防止3D打印7075铝合金的微裂纹 4.西交大最新：3D打印单晶高温合金突破经典理念

2019年11月29日，北航侯慧龙副教授以第一作者身份在世界顶级期刊《Science》发表了最新研究成果，论文发现3D打印的制冷材料镍钛合金，可以实现对具有长寿命、高性能的金属制冷剂进行独特的微观结构控制。抗疲劳、高性能镍钛合金的获得展示了3D打印在优化固态制冷技术中的潜力。本期我们不仅要介绍这项研究，还将介绍能够开发超级材料的3D打印工艺。 北航Science最新成果封面 ▌制冷技术介绍 空调和制冷每年消耗全世界约五分之一的电力资源。更高效、更环保的制冷技术在最近十几年发展迅速。固态制冷技术（包含磁热制冷、机械热制冷和电热制冷及其他）近年来引起关注。 弹性冷却效应 应力制冷技术（或称弹热制冷，是机械热制冷的形式之一）是通过外应力场的施加和移除可逆地改变材料的晶体结构对称性的引起材料放热和吸热。该技术发明于2012年，因其巨大的潜热效能，在2014年美国能源部统计的能够取代蒸气压缩式制冷的17种可选技术中排在首位。同时，应力制冷样机和应力蓄热热泵也在不断开发，以期接近实际应用。然而，应力制冷材料的热力滞后会约束制冷系统的效率，并且其对制冷性能的长期稳定性影响也未得到解决。 ▌增材制造镍钛合金：首创性地为长寿命材料制造、选取和工程设计提供科学依据 增材制造镍钛合金能够制造出高效热力学性能、超窄滞后的应力制冷材料。通过精巧设计的“工艺-微结构-属性-性能”策略，利用粉末激光定向能量沉积技术中的局部熔融和快速冷却的特点，调节元素粉末的比例达到近共熔成分混合，实现在二元合金基体中镶嵌富镍金属间化合物的纳米复合微结构。所获得的应力制冷材料在准线性应力-应变行为中展现出极小的应力滞后，相比于通常情况，其材料效率提高了4-7倍，并且在一百万次循环中拥有可重复的应力制冷性能。 图一：A. 粉末激光定向能量沉积技术示意图；B. 镍钛合金相图；C-H. 作为范例展示，获得了柱状、管状和蜂窝状结构；F. 等温加载时各材料行为的对比；G. 绝热加载时各材料行为的对比；H. 各材料的滞后特性和效率的对比 先进的原位加载同步X射线衍射表征手段辅以微观力学模型揭示了二元合金基体和富镍金属间化合物的相互作用机制。基于实验观测创建了应力制冷材料输入能量耗散率与功能失效循环之间的唯象相关性，并且初步的实验统计显示该相关性可普适于固态制冷材料，首创性地为长寿命材料的制造、选取和工程设计提供科学依据，对构筑高效、稳定的固态制冷技术具有重要的科学与技术意义。 图为3D打印抗疲劳、高性能制冷材料的示意图，作为范例展示，蜂窝状构件的形状和高度依次形成 增材制造应力制冷材料可以实现对具有长寿命、高性能的金属制冷剂进行独特的微观结构控制。抗疲劳、高性能镍钛合金的获得展示了增材制造在优化固态制冷技术的潜力。该项工作后续的研究将服务于国家在航空航天飞行器特种制冷技术的重大需求，结合北航航空科学与工程学院特色专业（包括飞行器结构强度和人机与环境工程），并与材料科学与工程学院、机械工程及自动化学院以及国内外相关单位合作进行。 注：研究全文已上传QQ群。 ▌激光定向能量沉积技术在设计超级材料方面具有巨大潜力 在《采用人工智能和3D打印设计超级材料》一文中，我们提到，德国Fraunhofer IWS的工程师联合其它五家研究所借助AI和3D打印来寻找超级合金的合适配方。项目人员通过使用人工智能和机器学习来研究大量监测数据与实际工艺效果间的联系，并使用激光粉末堆焊技术，在具有挑战性的工作中开发新的超级合金。 通过激光粉末堆焊，可以整体制造由不同材料制成的部件，它可以将特定材料准确放置在需要其性能的位置。该技术为航空航天、燃气轮机开发更轻、更强和成本降低的部件提供了广阔的前景结合我们上周报道的中国留学生博士后Duyao Zhang发表的nature文章，也是采用了激光能量沉积技术制造超强材料钛铜合金。对比北航的最新成果，我们可以发现，这些研究普遍使用基于送粉的激光定向能量沉积技术开发超级材料。 激光能量沉积技术可以同时或连续地将不同粉末送入加工区，精确调节进给速率；性能最好、最昂贵、高抗性的材料只在最需要的位置释放，不同的粉末可以在激光的作用下实现共熔，构件的不同部位可实现不同的性能特点。因此，激光定向能量沉积技术在设计超级材料方面具有巨大潜力。 欢迎转发联系笔者：2396747576;工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738延伸阅读： 1.采用人工智能和3D打印设计超级材料 2.今日Nature：新型3D打印超强材料—钛铜合金 3.大尺寸金属制造--激光熔化沉积技术 4.南科大：一种将3D打印钛材料价格降低10倍的方法

3D打印的钛合金已经在许多领域获得应用。然而，该材料在和激光的相互作用中，高冷却速率和高温度梯度通常会产生非常精细的微观结构，并趋向于几乎完全的柱状晶粒生长。复杂的热力学环境使得钛合金在3D打印过程中容易变形和开裂，并且材料通常具有各向异性。即使通过对工艺参数的优化也难以促进晶粒等轴生长。与其他常见的工程合金相比，目前还没有商业化的钛合金晶粒细化剂能够有效地细化其组织。 新型3D打印超强钛合金—TiCu 近日，Nature刊载了由皇家墨尔本理工大学、俄亥俄州立大学、英联邦科学和工业研究组织以及昆士兰大学等多家机构的联合研究成果，他们共同开发了一款新型的钛铜合金3D打印材料，它的打印态显示出与常规使用的Ti6Al4V相当的机械性能，并且不易变形和开裂。而第一作者Duyao Zhang疑似中国留学生。 ▌3D打印过程获得完全等轴细晶粒组织，具有更高性能 这种专门开发的钛铜合金因在凝固过程中的元素分配而具有较高的组织过冷能力，它可以克服激光熔化过程中的高温度梯度，而无需任何特殊的工艺控制或其他热处理手段，在3D打印的过程中就可以形成完全的等轴细晶粒组织。相比于传统3D打印的柱状晶结构，这种结构的性能更加优异。 实验用的通快3D打印机 3D打印的Ti6Al4V和TiCu8.5组织结构，上图为沿打印方向粗大的柱状晶结构，下图为细密的等轴晶 与在类似加工条件下的常规合金相比，完全等轴晶粒组织显示出优秀的力学性能，如高屈服强度和均匀的伸长率，这归因于高冷却速率和多次热循环而形成的超细共析微结构。这种具有微观结构的合金可以承受更大的力，在制造过程中也不太可能出现裂纹或变形等缺陷。 不同成分的TiCu合金机械性能 同时，研究人员认为这种方法也将适用于其他能够形成共析金属的合金材料，并将在航空航天和生物医学行业中得到应用。 ▌不易变形和开裂，为3D打印更加复杂结构提供可能 一个典型的案例是，飞而康在采用SLM技术打印C919钛合金薄壁结构的过程中，就遇到了严重的变形和开裂，整个参研团队花费2个月时间终于解决问题，这突出显示了钛合金在极限特征条件下的制造困难的特点。由于材料的特殊属性，新开发的钛铜合金在打印过程中不易变形和开裂，这为打印更加复杂和具有极限特征的零部件提供了可能。 3D打印的TiCu合金试样 这项研究属于材料设计的范畴，它为开发一系列新的钛基合金开辟了可能性，同时它也专为具有特殊性能的3D打印材料而开发。关于研究太过于学术的内容不宜展示，有兴趣的读者可进QQ群下载研究原文。 打印样件的成分 ▌Nature2017，一种新型的3D打印高强铝合金，已商业使用 早在2017年，Nature刊文，美国休斯研究实验室（HRL）研究人员通过在打印材料中引入纳米颗粒形核剂进行表面修饰，来抑制3D打印中的热撕裂行为，控制金属固化方式，从而在急剧的温度梯度下实现等轴晶体的生长。 纳米颗粒附着在金属粉末表面 研究发现，以往不适合3D打印的7075和6061系列高强度铝合金可以通过SLM技术实现3D打印，且产品具有无裂缝的、等轴、精细结晶微结构，使得3D打印的铝合金和锻造铝合金强度接近。 实际上，上述所讲的钛铜合金，研究中也提到是通过引入形核剂来促进等轴晶的形成。这种方法适合一系列合金材料和3D打印工艺，具有良好的普适性，为不可焊接的超级镍合金或镍基间金属提供了3D打印的可能。 3D打印的高强铝合金回旋结构热交换器 今年10月，HRL开发的3D打印用高强铝合金正式投放市场，从而成为首个可用于增材制造的锻造等效高强度铝合金。随之而来的，是NASA马歇尔太空飞行中心开始将这种材料应用于大规模航空航天零部件的生产。HRL还与合作伙伴开发了一项能够突出该材料传热和流动性能优势的应用—拓扑回旋换热器，基于材料更高的强度，可减少零件制造中的材料用量，因此整个结构重量更轻，性能也更高。 由此可见，高性能的材料具有更好的应用潜力。由HRL开发的高强铝合金从发表文章到实现商业化用了两年多时间，我们期待新型的钛铜合金也在解决当前钛合金面临的变形开裂问题的同时，也可获得更多实际应用。 本期上传内容： Nature刊文3D打印钛铜合金新材料 欢迎转发 联系笔者：2396747576;工程师技术交流和资料下载QQ群：867355738延伸阅读： 1.南科大：一种将3D打印钛材料价格降低10倍的方法 2.3D打印+拓扑优化制造542*542*141mm的钛合金无人机框架 3.钛合金和PEEK颅骨修复体的传统和3D打印制造方式及面临的问题