摘要：目前，我国是科技快速发展的新时期，介绍了3D打印技术的发展概况、基本原理和技术特点。综述了国内外几种常用的钛合金3D打印技术：激光选区烧结成形技术（SLS）、激光选区熔化成形技术（SLM）、激光立体成形技术（LSF）、电子束选区熔化成形技术（EBSM）、电子束熔丝沉积成形技术（EBF3）等，综合比较，EBSM技术由于具有成形效率高、精度高、成本低和真空无污染等优点，是未来最具发展前景的钛合金3D打印技术。成形过程中缺陷的成因和检测是3D打印领域重要研究热点，也是3D打印件能否实现应用的基础。重点介绍了钛合金3D打印成形过程中主要缺陷（包括球化现象、裂纹、孔隙以及翘曲变形）的分类、危害和成因，以及3D打印件常用的无损检测技术，并结合国内外研究情况对各种缺陷的抑制或改善方法进行探讨。最后，从材料、设备、工艺和检测技术方面，对未来钛合金3D打印技术发展前景进行了展望。
引言
3D打印技术从20世纪80年代起就开始在美国发展起来并随之推广开来。从世界范围来看，美国的3D打印技术的发展状况和水平基本可以代表当今世界3D打印技术的最高水平。我国从20世纪90年代初开始研究发展3D打印技术，现阶段已经逐渐开始应用在各行各业中，并发挥着重要的作用。
13D打印技术原理与优势
3D打印技术是一种采用高能束为热源，通过材料逐层堆积，实现构件无模成形的数字化制造技术。钛合金零件3D打印技术原理是将钛合金粉末或丝材，在激光或电子束等加热条件下，按软件设定的路径同步熔化、堆积，最终成形出设计的零件实体。不同种类的钛合金3D打印技术主要是通过热源种类、原材料状态以及成形方式加以区分。钛合金3D打印的热源主有激光、电子束和电弧，原材料状态主要为粉末和丝材，成形方式主要包括铺料、送料条件下的烧结成形及熔化成形。目前，广泛用于钛合金零件3D打印制造的主要工艺有4种：激光直接熔化沉积成形(laserdirectmeltingdeposition，LDMD)、激光选区熔化成形(selectivelasermelting，SLM)、电子束熔丝沉积成形(electronbeamfreeformfabrication，EBF)、电子束选区熔化成形(selectiveelectronbeammelting，SEBM)。采用3D打印技术制备钛合金零件，与传统制造技术相比，具有以下突出优点：1)无需大尺寸毛坯制备和模具加工，无需大型或超大型工业装备；2)零件具有快速凝固组织的晶粒细小、组织致密、成分均匀的特征，综合力学性能优异；3)实现无模具近终成形，极大地节省材料，制造成本低、周期短；4)适用材料广泛，可以制备采用传统方法难以加工的钛合金材料。5)能够在制造过程中根据零件的实际使用需要设计不同部位的成分和组织，提高零件的综合性能，扩大应用范围；6)具有对构件设计的高度柔性与快速反应能力，降低新产品开发风险。
23D打印成形钛合金构件缺陷分析
采用3D打印技术制备钛合金，成功克服了使用传统方法制备钛合金结构件时，所面临的费用高、材料浪费严重、加工工艺复杂，以及后续加工困难等不利因素，但采用3D打印技术成形钛合金零件时，由于粉末/丝材特殊的加工性能，或者工艺参数选择不当，工件容易出现球化、裂纹、孔隙以及翘曲变形等缺陷。如图1所示，严重影响钛合金的机械性能和成形精度，阻碍了钛合金3D打印技术的发展。另外，缺陷无损检测是3D打印件能否实现广泛应用的基础，也是影响3D打印技术进一步发展的决定因素。目前，国内外对3D打印件缺陷进行无损检测的方法主要有：渗透检测、X射线检测、磁粉检测和超声检测等。随着3D打印件向结构大型化、复杂化和精细化方向发展，传统的无损检测方法已经不再适用于3D打印件的缺陷检测和分析，新型的无损检测技术工业CT检测和激光超声在线无损检测相继问世。采用CT技术检测3D打印成形的复杂钛合金结构件，成功检出了孔隙率仅为0.005%的微孔隙，这在采用常规无损检测方法是几乎不可能检出的。国内一专利发明了激光超声无损检测技术，利用激光激励的超声表面波幅的变化检测3D打印过程中产生的缺陷，实现制造过程同步对零件进行检测。
3钛合金3D打印成形工艺优化
3.1后处理工艺优化
钛合金3D打印制件的后处理工序主要有退火、热等静压、固溶时效、抛光、渗碳等，其中退火的主要目的是减小零件内部的残余应力，热等静压则可以减少组织内部的孔隙。在粉末床预热的基础上，结合随行热处理工艺，也就是在每完成一层粉末熔化扫描后，再经快速扫描实现缓冷保温，从而通过塑性及蠕变使应力松弛，防止应力应变累计，达到减小变形、抑制零件开裂、降低残余应力水平的目的。利用小孔释放法对TC4钛合金（LENS技术成形）沉积态和热处理后的残余应力进行研究，结果表明，经热处理后，成形件的残余应力降低显著，且分布均匀。
3.2D打印工艺优化
使用不同的成形技术，加工不同的材料，其最优的工艺参数各不相同，合理的设置工艺参数（激光功率、扫描速率、扫描间距、扫描策略、层厚、预热温度以及成形气氛等）能够明显减小球化、孔隙、裂纹以及翘曲变形等缺陷。基于SLS技术使用高能量密度的激光（Nd:YAG激光），对工业纯Ti进行了激光成形。结果发现：制件的球化现象明显得到改善，且成形件的孔隙率也得到提高。认为采用预热增加粉末黏度，将待熔化粉末加热到一定的温度，可有效减少球化现象。研究发现，通过对基板进行预热可降低熔池的凝固速率与成形过程中的温度梯度，减小SLM成形合金中的裂纹数量，但无法完全消除裂纹。采用SLM成形技术制备TC4钛合金试样，研究了工艺参数对残余应力的影响。结果发现：扫描策略对表面残余应力分布有一定的影响，当线能量密度一定时，随着填充间距的增加，成形层表面残余应力有减小的趋势。
43D打印技术的优势分析
(一)数字化制造使加工更加高效简便。运用数字化技术制造可以使加工更加高效简便，采用驱动型的机械设备进行加工，同时运用网络优势，进行实时的信息传递，可以达到多区域分散的生产模式。(二)应用领域广泛。3D打印技术可以广泛地应用在各个领域，例如航空航天、医疗、建筑设计等。在医疗方面有一个典型的案例，可以进行人体器官的打印，使用3D技术打印的器官具备了基本的功能，未来3D打印技术可以广泛应用到医疗的领域。(三)3D打印没有制约。3D打印对于其需要打印的产品特性没有具体的限制，在过去的制造行业一般受制于其模具工艺等产品的限制不能完全按照设计理念设计，一些工艺比较复杂的产品通过3D打印技术可以完全实现。
结语
3D打印技术是一项跨时代的技术革新，有着宽广的应用范围和巨大的发展空间。随着3D打印技术的成熟和推广，3D打印将在各个领域发挥它的优势，实现更多可能性，实现微小的打印精细化、实现大型打印便捷化、实现创新的高效化。3D打印技术将颠覆许多传统行业的做法，引领它们进入新的技术时代，从根本上改变这些传统行业的运行方法，帮助它们降低成本提高效率，跟上时代的变革。
参考文献
[1]乔旭.钛合金增材制造技术的分析和未来趋势[J].中国新技术新产品，2015（23）：76.
[2]伏欣.国内增材制造（3D打印）技术发展现状与研究趋势[J].中国高新技术企业，2016（24）：27-28.
论文作者:麦淑珍
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第24期
论文发表时间:2019/11/27
标签：技术论文; 钛合金论文; 激光论文; 应力论文; 零件论文; 电子束论文; 缺陷论文; 《中国西部科技》2019年第24期论文;