層狀復(fù)合鈦合金在航空航天領(lǐng)域的具體應(yīng)用非常廣泛，主要包括飛機結(jié)構(gòu)部件：層狀復(fù)合鈦合金被用于制造飛機的骨架、艙門、液壓管路及接頭、起落架、蒙皮、鉚釘、翼梁等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件。這些部件需要具有高的比強度、韌性、抗疲勞性能以及良好的焊接工藝性能。航空發(fā)動機部件：在航空發(fā)動機中，層狀復(fù)合鈦合金主要用于制造壓氣機葉片、盤和機匣等零件。這些部件需要在高溫下保持比強度、熱穩(wěn)定性、抗氧化性以及抗蠕變等性能。例如，F(xiàn)-22戰(zhàn)斗機所用F119發(fā)動機的風(fēng)扇就采用了寬弦空心鈦合金葉片，以提高推重比。航天器和火箭部件：在航天領(lǐng)域，層狀復(fù)合鈦合金被用于制造火箭發(fā)動機殼體、火箭噴嘴導(dǎo)管、導(dǎo)彈外殼、宇宙飛船的船艙或燃料和氧化劑儲存箱等。這些部件除了需要滿足航空用鈦合金的性能要求外，還必須具有耐高溫、耐低溫、抗輻射等性能。

       層狀復(fù)合鈦合金的應(yīng)用不僅提高了飛行器的性能，還有助于減輕結(jié)構(gòu)重量，提高燃油效率，并確保在極端條件下的可靠性和耐久性。

     近日，沈陽飛機工業(yè)（集團）有限公司“高性能金屬增材制造”團隊綜述了層狀復(fù)合鈦合金研究進展，闡明了以服役需求為牽引，結(jié)合合理層間過渡的層狀鈦合金結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，展望了增材制造層狀復(fù)合鈦合金的未來發(fā)展方向。

借助中國有色金屬學(xué)報的分享，本期3D科學(xué)谷與谷友共同領(lǐng)略關(guān)于3D打印在這一領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展邏輯。

增材制造技術(shù)，特別是激光定向能量沉積、電弧熔絲增材和電子束熔絲增材制造，為層狀復(fù)合鈦合金的制備提供了靈活便捷的手段。這些技術(shù)能夠制造具有復(fù)雜或細(xì)微特征的多材料零件，并實現(xiàn)力學(xué)性能、磁學(xué)性能等梯度變化的便捷成形。增材制造技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)成型件內(nèi)部層間結(jié)合緊密，提高了結(jié)構(gòu)的完整性和可靠性。層狀復(fù)合鈦合金通過增材制造技術(shù)的應(yīng)用，可以減少材料間的薄弱連接界面和縫隙，從而提高整體結(jié)構(gòu)的性能。”

 

 研究背景

層狀復(fù)合鈦合金是指將不同的鈦合金材料按照性能需求進行設(shè)計和分布而成的一體化新型金屬結(jié)構(gòu)，具有力學(xué)性能逐層變化、材料布局高可設(shè)計性的特點。使用層狀復(fù)合鈦合金結(jié)構(gòu)，與均質(zhì)零部件相比能夠有效減重、提升疲勞壽命和降低成本，在實現(xiàn)承載的同時，還可以使零部件具備耐熱、耐蝕和耐磨特性。增材制造是制備層狀復(fù)合鈦合金結(jié)構(gòu)的重要手段，不僅能夠便捷靈活地調(diào)控材料分布，還可實現(xiàn)樣件快速試制，在研制層狀復(fù)合鈦合金方面前景廣闊。本文系統(tǒng)介紹了層狀復(fù)合金屬的優(yōu)勢及結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，在此基礎(chǔ)上，著重匯總現(xiàn)階段層狀復(fù)合鈦合金激光定向能量沉積、電弧熔絲增材和電子束熔絲增材制造的研究現(xiàn)狀，并對未來增材制造層狀復(fù)合鈦合金的關(guān)鍵問題進行展望。

  文章亮點

綜述了層狀復(fù)合鈦合金研究進展，闡明了以服役需求為牽引，結(jié)合合理層間過渡的層狀鈦合金結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，展望了增材制造層狀復(fù)合鈦合金的未來發(fā)展方向。

 圖文解析

層狀復(fù)合鈦合金結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)承載、減重、耐熱、耐蝕和耐磨等多功能集成一體化，在航空航天領(lǐng)域前景廣闊。根據(jù)翼肋部件各部位差異化服役性能需求，使用激光定向能量沉積制造的層狀復(fù)合整體翼肋部件，如圖1所示，有效減少疲勞裂紋源，提升了飛行器機體結(jié)構(gòu)效率和材料利用率。

圖1 層狀復(fù)合鈦合金制件示意圖及復(fù)合翼肋結(jié)構(gòu)

合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，是獲得高質(zhì)量層狀復(fù)合金屬制件的根本。圖2為三種典型層狀復(fù)合金屬結(jié)構(gòu)層間過渡方式：1）直接過渡（圖2a）；2）成分過渡（圖2b）；3）阻擋層過渡（圖2c）。直接過渡時異質(zhì)界面自然過渡。采取成分過渡時，通過調(diào)控制備工藝得到一定厚度的成分漸變層，完成100%金屬A向100%金屬B的轉(zhuǎn)變，過渡層內(nèi)沿厚度方向A與B元素含量梯度變化。采取阻擋層過渡時，引入外加金屬組元C構(gòu)成異質(zhì)層間的阻擋層，阻擋層既完成層間性能過渡，也抑制A與B交互擴散形成脆性金屬間化合物。

圖2 直接過渡、成分過渡和阻擋層過渡層狀復(fù)合金屬結(jié)構(gòu)示意圖(A、B和C對應(yīng)各層內(nèi)金屬組元)

對于存在多種金屬間化合物的層狀金屬體系，合理的阻擋層對于保持結(jié)構(gòu)完整性至關(guān)重要。圖3為采取阻擋層和成分過渡的Zr-Cu層狀復(fù)合體系。僅成分過渡時，過渡層鋯-銅比均位于Cu10Zr7-CuZr2金屬間化合物區(qū)間，跨層開裂。相比之下，選取與銅或鋯無化合物的鈮作為阻擋層的Zr/Nb/Cu層狀結(jié)構(gòu)，不僅降低了開裂傾向，還更好地釋放致熱應(yīng)力。

圖3 Zr/Cu層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)，Zr/Nb/Cu層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)

增材制造相比其他制造方式，因使用高能束而具備如下優(yōu)勢：1）可成形具復(fù)雜或細(xì)微特征的多材料零件；2）便捷成形力學(xué)性能、磁學(xué)性能等梯度變化零件；3）成型件內(nèi)部層間結(jié)合緊密。現(xiàn)階段，層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)的增材制造方式以激光定向能量沉積、電弧熔絲增材和電子束熔絲增材為主。使用激光定向能量沉積技術(shù)（圖4）時，金屬粉末與激光束能量同步送進至成形區(qū)域。激光束作為能量來源，匯聚于基板表面特定區(qū)域以形成熔池，自熔覆頭噴出的金屬粉末進入熔池受熱熔化，熔池在激光束遠(yuǎn)離后迅速凝固成形，凝固速率可達1012 K/s，使用多個送粉桶配合粉桶轉(zhuǎn)速變化，可以實時調(diào)控增材層的成分，以制備層狀復(fù)合金屬結(jié)構(gòu)。

圖4激光定向能量沉積示意圖

圖5為采取激光定向能量沉積增材制造技術(shù)研制的Ti2AlNb/TA15層狀復(fù)合變直徑環(huán)形樣件，整體高約60 mm，成形良好無裂紋形成。針對航空發(fā)動機進氣道高溫段和中低溫段差異化服役溫度的特點，提出耐高溫Ti2AlNb合金與輕質(zhì)TA15合金復(fù)合的結(jié)構(gòu)方案。在異質(zhì)合金層間設(shè)置TA15-80Ti2AlNb成分過渡層后，制件力學(xué)性能優(yōu)異，沉積方向抗拉強度達到1058 MPa，伸長率8%，且拉伸斷裂發(fā)生于TA15側(cè)。

圖5　Ti2AlNb/TA15層狀復(fù)合變直徑環(huán)形樣件

圖6為電弧熔絲增材制造技術(shù)原理圖，得益于電弧熱源加熱熔化，電弧熔絲增材具有成本低、堆積速度快、制造尺寸形狀自由及對金屬材質(zhì)不敏感等優(yōu)點。成形表面形成熔池后，送絲機構(gòu)將金屬絲材同步送進成形區(qū)域，熔池在電弧遠(yuǎn)離后迅速凝固。電弧受程序控制沿著特定軌跡運動，依照三維模型的線-面-體逐步實現(xiàn)實體制造。增材過程中，使用雙絲或多絲送進機構(gòu)配合送絲速率調(diào)節(jié)，可實現(xiàn)層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)的實時成分調(diào)控。

圖6　電弧熔絲增材制造示意圖

圖7為采取雙絲等離子體電弧熱源進行交替沉積制造的TC4/TA2層狀復(fù)合鈦合金薄墻結(jié)構(gòu)，整體尺寸160 mm×7 mm× 38 mm，TC4-TA2層狀結(jié)構(gòu)的設(shè)計靈感源于貝殼殼體的“磚-泥”軟硬復(fù)合結(jié)構(gòu)。TC4由網(wǎng)籃組織和集束組織構(gòu)成。TA2微觀組織主要為α片層。層狀復(fù)合試樣掃描方向和沉積方向的抗壓強度相近，約2.0 GPa，沉積方向斷裂應(yīng)變?yōu)?.33，相比掃描方向（0.24）提升37.5%，具備更高的塑性變形能力。

圖7　 TA2/TC4異質(zhì)層狀復(fù)合鈦合金截面結(jié)構(gòu)

盡管層狀復(fù)合鈦合金結(jié)構(gòu)應(yīng)用前景廣闊，但現(xiàn)階段仍存在異質(zhì)界面組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜、界面性能薄弱及熱處理制度匱乏等問題。過渡區(qū)在高能束作用下易于形成成分偏離預(yù)設(shè)區(qū)間的元素交互擴散層和脆性有害相，且多材料界面失效機制尚未建立。此外，包含多種鈦合金的層狀結(jié)構(gòu)難以通過純材料的熱處理制度進行強化。后續(xù)，應(yīng)進一步挖掘異質(zhì)界面多尺度強化技術(shù)、探明殘余應(yīng)力控制手段、構(gòu)建專用熱處理制度，并建立異質(zhì)界面失效機制，以推動層狀復(fù)合鈦合金的工程化應(yīng)用。

 研究結(jié)論

（1）層狀復(fù)合金屬結(jié)構(gòu)能夠自由調(diào)控材料布局并實現(xiàn)力學(xué)等性能梯度變化。基于增材制造開發(fā)層狀復(fù)合鈦合金，同時發(fā)揮多種鈦合金的性能優(yōu)勢，是突破傳統(tǒng)制造的“剛性”和“離散”壁壘的有效途徑，在航空、航天、海洋領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。

（2）層狀金屬的結(jié)構(gòu)設(shè)計以制件具體服役性能需求為牽引，結(jié)合合理的層間過渡。界面成分及性能的梯度過渡是保障層狀金屬結(jié)構(gòu)完整性的關(guān)鍵，在層間成分過渡和阻擋層過渡方面已具備較為全面的設(shè)計理論。

（3）現(xiàn)階段，層狀復(fù)合鈦合金主要激光定向能量沉積、電弧熔絲增材和電子束熔絲增材進行研制，并在參數(shù)影響規(guī)律、缺陷調(diào)控和性能優(yōu)化等方面取得進展。后續(xù)應(yīng)進一步探索過渡區(qū)組織性能優(yōu)化方法、控制殘余應(yīng)力提升成形精度，并構(gòu)建異質(zhì)層狀結(jié)構(gòu)界面失效機制，以推動層狀復(fù)合鈦合金應(yīng)用。

來源
中國有色金屬學(xué)報

(責(zé)任編輯：admin)

• Himed評估不同噴砂磨料在3
• 粉末粒徑可以控制增材制造
• Divergent公司以3D打印技
• 浙大口腔醫(yī)學(xué)院：生物3D打
• 新型類器官樣神經(jīng)血管球促
• 推動粘結(jié)劑噴射（鑄造/金

• ·Himed評估不同噴砂磨料在3D打印鈦合金
• ·粉末粒徑可以控制增材制造合金微觀結(jié)構(gòu)
• ·Divergent公司以3D打印技術(shù)驅(qū)動汽車制
• ·浙大口腔醫(yī)學(xué)院：生物3D打印在牙科組織
• ·新型類器官樣神經(jīng)血管球促進皮瓣移植研
• ·推動粘結(jié)劑噴射（鑄造/金屬/陶瓷）3D打
• ·工程化活體材料與3D生物打印融合：現(xiàn)狀
• ·鋁激光增材制造：基于可持續(xù)性視角的挑