介绍
金属3D打印技术起源于20世纪90年代的快速成型工艺（RP），基于“离散+堆叠”的增材制造理念，利用高能粒子束熔化金属粉末，结合三维立体数字模型，逐层制备高性能近乎全致密的金属零件[1]。 粉末金属3D打印技术主要由激光熔化沉积建模（LMD）、激光选区熔化成型（SLM）和电子束选区熔化成型（SEBM）三种技术组成[2-5]。 与精密铸造、滚压锻造等传统工艺相比，3D打印技术的优势在于：（1）高能粒子束的瞬时温度可达数十万摄氏度，适用于钛合金等难熔金属零件的制备;（2）属于近净成形技术，节省加工时间，减少金属废料，适用于难加工、难变形钛合金零件的制备（3）增材制造技术理念，无需成型模具即可制备几何形状复杂的钛合金零件，不仅可以大大缩短零件从设计到生产的生产周期，还可以避免陶瓷夹杂物污染;（4）真空或惰性气体气氛的制备环境，最大程度地避免了氮气、氧气等杂质气体对合金性能的影响（5）精确控制合金成分分布，适用于制备双合金盘等功能梯度材料[6,7]。
钛合金具有比强度高、热膨胀系数低、耐腐蚀性强、生物相容性好等优点，已广泛应用于航空航天、石油能源、医疗器械、海洋船舶等领域，并已形成产业规模[8-11]。 将金属3D打印技术应用于钛合金零件的制备，不仅可以显著提高钛合金材料的利用率，还可以克服钛合金耐火材料难变形、易被陶瓷坩埚和气体元素污染的工艺难，因此具有广阔的应用前景。 本文探讨了粉末钛合金3D打印技术的制备原理和特点，并总结了近年来的相关研究进展，最后探讨了粉末钛合金3D打印技术的市场化现状和发展趋势。
一、钛合金3D打印技术研究现状
1.1.激光熔化沉积成型（LMD）。
20世纪90年代，激光熔化沉积建模技术由美国桑迪亚国家实验室和美国Optomec公司共同开发。 随后，世界各地的大学和科研机构都开展了自主研究工作，如美国桑迪亚实验室的激光网成形技术（LENS）[3]、中国西北工业大学的激光立体成形技术（LSF）[12]、英国曼彻斯特理工学院的激光直接沉积技术（DLD）[13]、 以及密歇根大学的金属直接沉积技术（DMD）[14]和美国的POM。虽然名称不同，但基本原理是利用惰性气体输送金属粉末，然后将千瓦级激光束焦点处的金属粉末通过送粉器和粉末喷嘴进行瞬时熔化，然后按照计算机模型从下到上逐层堆放熔融金属层， 最后直接打印出三维金属成型件，整个制备过程在惰性气体保护下，如图1[15]所示。
LMD的主要参数包括激光功率、扫描速度、搭接比、单层厚度、送粉率等，为了便于实验分析，引入线能量，定义为激光功率与扫描速度的比值，单位为J mm。 在Ti-22Al-25NB的制备过程中，LMD的微观结构以千瓦级激光器为能量源，熔池温度高，容易形成粗晶粒[16\u201217]。 Zhang等[18]表明，当线能量大于993 J mm时，晶粒呈等轴形貌当搭接率为40%时，成型件无熔合不良;单层厚度太小会导致重熔加深，导致层间组织粗糙。 LMD钛合金的组织具有外延生长的特点，易于通过多个沉积层形成柱状晶粒，表现出定向凝固的特点。 Carroll等[19]制备的“十”形Ti-6al-4V合金成型件沿垂直方向长成长为细长的柱状晶粒，成型件机械各向异性，横向伸长率明显高于纵向伸长率。 Qiu等[20,21]表明，高激光功率和低粉末进给速率可以使Ti-6Al-4V合金的孔隙率最小化，后续的HIP处理可以促进马氏体相向层状+相的转变，从而提高合金的韧性，消除力学性能的各向异性。 TC11钛合金成型件沿垂直于激光升降的方向具有高强度和低塑性力学性能;近相钛合金Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1F的晶粒有3种形貌，即沉积层重叠带的大柱状、顶部的小柱状和底部的等轴状[22-25]。 表1列出了不同牌号钛合金LMD成型件的力学性能。
1.2.激光选区熔化沉积成型技术（SLM）。
激光选区熔化成形技术最早于2024年由德国Frau-Hofer研究所提出[27]，该技术是在2024年由德国Frau-Hofer研究所[27]提出的。r.Dechard[28]激光选择性烧结（SLS）技术是在两种工艺原理的基础上发展起来的，具体工艺如下：扫描前，水平粉末辊将金属粉末铺在基体上;激光束根据3D轮廓数据选择特定区域进行粉末熔化，并对当前层的轮廓进行加工;然后通过升降平台降低一层厚度，粉辊将金属粉末铺在已经加工过的前一层上，控制程序调用下一层数据进行加工，以此类推重复金属零件的制备。 整个过程在惰性气氛中保护，避免钛合金在高温条件下与杂质气体发生反应，确保钛合金成型零件的成分符合要求。
SLM工艺参数包括激光功率P、扫描速度V、单层厚度T、扫描间距H、扫描策略等，综合评价参数的能量密度以J mm3为单位介绍。 研究表明[29\u201230]，低能量密度的Ti-6Al-4V成型件顶部往往存在大量孔隙和较差的熔点，且显微组织以层状+相为主高能量密度容易导致材料汽化和嵌入孔隙的形成，显微组织以针状马氏体相为主。 Thijs等[31]表明，高能量密度促进了TC4合金熔池边界处铝的偏析，从而增加了2-Ti3Al相的含量。 Yadroitsev等[32]使用CCD相机光学监测系统观察到，增加激光功率和延长激光照射时间会增加熔池的最高温度、几何宽度和深度。 此外，近年来，研究人员将热等静压（HIP）技术与SLM技术相结合，有效降低了SLM成型件的孔隙率。 研究表明[33-38]，HIP处理可以将沉积态的孔隙度从0降低到0501% 降低到 0012%，并能改善合金性能。 图2为激光选区熔炼成形示意图，表2列出了SLM钛合金成型件的力学性能。
1.3.电子束选区熔化成型技术（SEBM）。
电子束选区熔炼成形技术是瑞典和Arcam于20世纪初联合开发的，采用逐层粉末熔炼法制备金属零件，工艺流程与SLM相似，不同之处在于SEBM使用电子束代替激光作为能量源，制备过程是在10-3Pa以上的高真空环境中。 电子束能量源具有能量利用率高、作用深度大、金属反射小、材料吸收率高等优点，成形效率明显高于SLM工艺高真空环境可以最大限度地减少空气中O、N等间隙元素对材料的污染。
SEBM的技术参数主要包括电子束电流、聚焦补偿、扫描速率、加速电压等。 SEBM技术制备的Ti-48Al-2NB-2Cr合金的显微组织具有多种板条和块状的-Tial相束[39]。
SEBM制备的Ti-6Al-4V微观结构以片状相为主，薄片之间有少量相[40]。 Safdar等[41]表明，SEBM技术制备的Ti-6Al-4V的粗糙度Ra值随成型件高度和光斑直径的增加而增大，随扫描速度和焦点补偿的降低而减小。 Karlsson等[42,43]使用SEBM制备的Ti-6al-4V成型件的侧面附着较多的未熔化颗粒，并且由于重熔效应，顶面相对光滑。
SEBM利用超高动能电子束高速轰击金属球形粉末，如图3所示，当电子束的部分动能直接转化为粉末动能时，容易引起粉末塌陷现象，即粉末颗粒会被电子束“推开”，形成蒸粉现象[44]。 目前，防止蒸粉的基本原理是通过选择合适的粉体粒径和流动性，对粉体和基材进行预热，优化电子束扫描策略，提高粉床的稳定性，以克服电子束推力。 Hrabe等[46]对基体进行预热，有效防止粉末塌陷，得到具有均匀显微组织和相似力学性能的成型件。 表3显示了不同SEBM钛合金成型件的力学性能，表明SEBM钛合金仍具有机械各向异性。
二、粉末钛合金3D打印应用进展
近年来，3D打印设备和金属粉末制备技术的不断发展，不断推动3D打印粉末钛合金成型件在医疗、航空航天等领域的市场化应用。 表4对比研究了LMD、SLM和EBM三种3D打印技术的参数特性。 LMD设备采用千瓦级激光器，成形效率高，易于获得完全致密的显微组织，通常用于制备大尺寸钛合金结构件，如2024年美国Aeromet公司的钛合金翼根吊环、国产大型客机C919的钛合金**翼梁和歼-31的主承重钛合金增强框架构件等。 然而，成型件尺寸精度低、加工余量大、高功率激光易氧化等是制约LMD技术进一步发展的主要因素。 SLM设备由于光斑直径小、单层厚度低、粉末粒径小，表面质量最好，适用于制备多孔材料等网状零件和几何形状复杂的小型钛合金零件，如图4所示。
然而，SLM的成形效率低，金属粉末成本高，是亟待解决的技术难点。 SEBM设备能力介于LMD和SLM之间，表面质量好，成形效率高，是医疗领域和航空领域的主要制备技术，如图5所示。 表5列出了不同3D打印设备的成型件尺寸和功率，可以看出SLM和SEBM设备的电源功率和成型件的尺寸都比LMD设备小，因此LMD具有打印大型成型件的能力。 图6显示了近年来金属粉末3D打印设备研发的进展情况，可以看出，大功率能源的研发不再是设备的主要重点，大尺寸成型件、高精度光斑、恒定能量源是未来3D打印设备的主要发展趋势。
三、结语
粉末钛合金3D打印技术作为一种新型的钛合金制造技术，适用于制备高熔点、不易变形、高活性的钛合金近净成形零件，近年来迅速成为世界钛合金制造业的研究热点。 目前，国产粉末钛合金3D打印技术仍处于商业化的初始阶段，未来亟待解决的问题包括：（1）高品质球形钛合金粉末生产设备和工艺研发，替代目前高成本的进口钛合金粉末;（2）建立3D打印钛合金的技术标准，包括标准显微组织、热处理工艺、热等静压后处理等，充分发挥3D打印钛合金的综合性能（3）完善钛合金3D打印技术成本核算体系，努力发展“投入产出比”高的领域。（4）进一步研发成型精度高、表面粗糙度低、成型效率高的商业级金属3D打印设备。 未来，随着技术研究的不断积累和商业模式的不断完善，粉末钛合金3D打印技术的产业化应用必将成为钛合金制造业发展的重要驱动力和新的增长点。
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