鈦合金具有材質(zhì)輕、比強(qiáng)度高、生物相容性好、耐腐蝕等特性，廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療、化工和船舶制造等領(lǐng)域，其中鈦合金在航空領(lǐng)域的應(yīng)用潛力最大。鈦合金可用于機(jī)身蒙皮、隔框、大梁、艙門、起落架、翼肋、緊固件導(dǎo)管、拉桿等部件，除此之外，鈦合金在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域也有一定的應(yīng)用，可用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部件，如風(fēng)扇、高壓壓氣機(jī)盤和葉片等。合格的球形鈦合金粉末應(yīng)具備氧含量低（小于0.15%)、球形度高、松裝密度高、流動(dòng)性好、粒度細(xì)、粒徑分布窄等特點(diǎn)，適用于增材制造技術(shù)（Additive manufacturing，AM）。

增材制造是一種先進(jìn)的金屬材料快速成形技術(shù)，該技術(shù)基于數(shù)字模型文件，使用金屬粉末材料通過(guò)逐層打印構(gòu)建制件，也稱為 3D 打印技術(shù) [1-4] 。

作為一種全新的金屬材料制造工藝 [5-7] ，鈦合金增材制造技術(shù)在航空構(gòu)件的生產(chǎn)應(yīng)用中具有突出的優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：縮短產(chǎn)品交付周期、提高材料利用率、優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)、減輕質(zhì)量、降低應(yīng)力集中、增加使用壽命、便于零件的維修和成形，并且可以與傳統(tǒng)制造技術(shù)互補(bǔ)。2013年，北京航空航天大學(xué)采用增材制造技術(shù)開發(fā)了殲-31戰(zhàn)斗機(jī)鈦合金主要承重部件的加強(qiáng)框架，與鍛造技術(shù)相比，該大型復(fù)雜整體部件的鈦合金材料利用率提高了 5倍，制造周期縮短了2/3，成本降低了1/2[8-9] ，同時(shí)，增材制造產(chǎn)品晶粒細(xì)小，成分均勻，性能優(yōu)良，部件性能可逐點(diǎn)控制，沒(méi)有壁厚位置效應(yīng)，減少了傳統(tǒng)鑄造和鍛造的宏觀冶金缺陷和偏析，同時(shí)擺脫了傳統(tǒng)冶金工藝對(duì)合金成分的限制 [10-13] 。鈦合金增材制造技術(shù)是目前最具潛力的航空構(gòu)件制造技術(shù)，值得重點(diǎn)關(guān)注，因此，介紹了球形鈦合金粉末制備技術(shù)和增材制造技術(shù)的特點(diǎn)，提出了球形鈦合金粉末制備技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，并為鈦合金增材制造技術(shù)在航空領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的思路。

1 、球形鈦合金粉末制備技術(shù)

目前，根據(jù)鈦合金粉末的形貌特征可將現(xiàn)有制備技術(shù)分為兩種，一是非球形鈦粉制備技術(shù)，包括氫化脫氫法、熱還原法（以TiO₂和TiCl₄為原料）、熔鹽電解法等，目前氫化脫氫法成本較低，可制備微細(xì)粉末，但氧氮雜質(zhì)較高，應(yīng)用較廣的還是Kroll法即金屬M(fèi)g還原TiCl₄制備海綿鈦的技術(shù)，熔鹽電解法雖然研究較多但還處于實(shí)驗(yàn)室階段，該類型制備技術(shù)所得鈦粉多為不規(guī)則形或海綿狀；二是球形粉末鈦粉制備技術(shù)，包括等離子旋轉(zhuǎn)電極法、電極感應(yīng)氣霧化法、射頻等離子球化法、等離子旋轉(zhuǎn)電極法等 [14-17] 。

1.1 等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法（PREP）

PREP方法是將鈦合金制成電極棒，然后將其放入傳動(dòng)裝置中，使其在惰性保護(hù)氣氛中高速離心旋轉(zhuǎn)，同時(shí)通過(guò)等離子弧加熱熔化，形成的金屬液膜在離心力的作用下分散并飛離電極棒斷面，最后在表面張力的作用下快速凝固，形成球狀鈦合金粉末 [18-19] ，其裝置的示意圖見(jiàn)圖1。

（a）工藝原理圖；（b）制備的球形鈦粉微觀形貌。

圖1 等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化裝置示意圖

由于電極棒直徑小（小于等于 50 mm）和轉(zhuǎn)速低，傳統(tǒng)的PREP法制備的鈦合金粉末球形度雖高，但粒度相對(duì)較粗，僅適用于激光熔覆技術(shù)（LMD）90~250 μm的粒度要求，難以滿足激光選區(qū)熔化技術(shù)和電子束選區(qū)熔化對(duì)粉末粒度的要求。

研究發(fā)現(xiàn)，可以通過(guò)改變電極棒直徑、轉(zhuǎn)速和等離子弧電流來(lái)控制粉末粒度，比如超高速旋轉(zhuǎn)電極霧化法（SS-PREP），該方法適用于制備激光選區(qū)和電子束選區(qū)打印用鈦合金粉末，所得粉末球形度高，粒度分布窄，表面干凈，雜質(zhì)少，無(wú)空心粉末，流動(dòng)性好；缺點(diǎn)則是粉末制取難度高、材料利用率低 [20-26] 。

1.2 電極感應(yīng)氣霧化法（EIGA）

電極感應(yīng)氣霧化法（EIGA）是在氣體霧化法（GA）技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，而GA法是以海綿鈦或鈦合金為原材料，采用高頻感應(yīng)線圈直接將鈦合金熔化，借助高速氣流沖擊鈦合金熔融液流，將氣體動(dòng)能轉(zhuǎn)化為液體表面能，進(jìn)而形成細(xì)小的液滴，最后冷凝為鈦合金粉末的工藝 [27] 。由于采用感應(yīng)加熱的方式，避免了鈦合金被坩堝污染的機(jī)會(huì)，因此產(chǎn)品純度較高，且粉末呈球形，其斷面呈現(xiàn)極冷凝固組織，粉末晶粒細(xì)。發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)采用氣體霧化法制備鈦合金粉末開展了大量的研究工作，發(fā)現(xiàn)采用不接觸坩堝的電極感應(yīng)氬氣霧化（EIGA）法，一定程度上保證了粉末的純凈度，它是以 ? 50 mm或 ? 70 mm的棒材為原料，通過(guò)錐形感應(yīng)線圈將鈦合金棒材的尖端熔化形成液流，然后在高速氬氣氣流的作用下霧化成粉，其裝置的示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 電極感應(yīng)氣霧化裝置示意圖

1.3 等離子體霧化（PA）

等離子體霧化技術(shù)突破性地將金屬熔化與氬氣霧化合為一體，利用等離子火焰瞬時(shí)熔化直徑約 3 mm 鈦合金絲材，并利用等離子火炬的氬氣沖量將熔融鈦合金液滴吹散，霧化過(guò)程無(wú)外來(lái)雜質(zhì)干擾，產(chǎn)品純度高，采用金屬絲材為原料，通過(guò)調(diào)整金屬絲材給進(jìn)速度獲得特定粒度的高純鈦合金粉末，該方法顯著提高了鈦合金粉末產(chǎn)品品質(zhì)的穩(wěn)定性 [28-32] 。

1.4 射頻等離子球化技術(shù)（PS）

射頻等離子球化技術(shù)是通過(guò)氣流將不規(guī)則的鈦合金氫化脫氫（HDH）粉末通過(guò)進(jìn)料槍噴射到高密度等離子火焰中，再熔化成液體顆粒，然后在球形液滴的表面張力下自發(fā)凝固成球形顆粒，通常情況下仍需要進(jìn)行后續(xù)的分選作業(yè)和二次球化處理 [33-36] 。等離子球化技術(shù)受限于原材料非球形粉末顆粒較少，因此目前生產(chǎn)僅限純鈦、TC4等少量常規(guī)鈦合金牌號(hào)，而且由于多次制粉，存在混入氧氮等雜質(zhì)元素的問(wèn)題。

對(duì)比以上四種球形鈦合金粉末制備技術(shù)（見(jiàn)表 1），PREP和EIGA所得鈦合金粉末球形度高、粒度細(xì)、雜質(zhì)含量低，因此更適用于航空構(gòu)件的增材制造工藝。

2、 鈦合金粉末的增材制造技術(shù)及其在航空構(gòu)件制造領(lǐng)域的應(yīng)用

鈦合金在航空領(lǐng)域的應(yīng)用對(duì)提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力、減輕航空零部件的質(zhì)量、增加航空飛行器的航程和安全性提供了有效保證，鈦合金的用量也逐漸成為飛機(jī)先進(jìn)性的一個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)。鈦合金在現(xiàn)代飛機(jī)上的應(yīng)用范圍十分廣泛，飛機(jī)機(jī)身、液壓管道、起落架、座艙窗戶框架、蒙皮、緊固件、艙門、機(jī)翼結(jié)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)、風(fēng)扇葉片、壓縮機(jī)葉片等部位多采用鈦合金。

目前，航空鈦合金構(gòu)件增材制造技術(shù)已經(jīng)成為最具發(fā)展?jié)摿Φ慕饘俨牧霞庸ゎI(lǐng)域之一。適用于航天航空領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)件通常具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)，且需要同時(shí)具備輕質(zhì)和高強(qiáng)兩個(gè)特點(diǎn)。此外，一些特殊結(jié)構(gòu)，例如航空發(fā)動(dòng)機(jī)，還要追求大載荷、高可靠、長(zhǎng)壽命，因而要求材料輕質(zhì)、高強(qiáng)之外，結(jié)構(gòu)要低缺陷、高穩(wěn)定性。因此，相對(duì)于傳統(tǒng)的鈦合金加工方法，增材制造在鈦合金復(fù)雜構(gòu)件成形方面具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

2.1 鈦合金的增材制造技術(shù)

根據(jù)能量來(lái)源（激光或電子束）和給粉方式的不同，球形鈦合金粉末在航空增材制造的應(yīng)用可分為激光選區(qū)熔化（SLM）、電子束選區(qū)熔化（EBSM）和激光融化沉積（LMD）

[37-45] 。三種增材制造技術(shù)特征及其對(duì)鈦合金粉末的粒徑要求如表2所示，對(duì)比三種打印技術(shù)發(fā)現(xiàn)增材制造技術(shù)普遍存在打印精度較差，打印設(shè)備成本高，成形效率低，另外航空部件尺寸較大，而增材制造設(shè)備生產(chǎn)的部件較小，不能滿足航空大部件的生產(chǎn)要求，而且由于航空構(gòu)件的特殊性，構(gòu)件復(fù)雜程度也超出常規(guī)構(gòu)件等原因，因此增材制造設(shè)備高精度、高效率和大型化將是未來(lái)的發(fā)展方向。

SLM是在激光選區(qū)燒結(jié)（SLS）的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，其裝置的示意圖如圖3所示。在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）和制造的幫助下，基于離散分層疊加原理，SLM使用高能激光束將金屬粉末直接熔化成任意復(fù)雜形狀的三維金屬零件，節(jié)省了工裝模具，并突破了零件復(fù)雜性的限制,是發(fā)展最快的金屬增材制造技術(shù)之一。在激光選區(qū)熔化技術(shù)方面，鈦合金粉末的非金屬夾雜、氣體夾雜、顆粒尺寸偏差和合金成分偏差等都可能造成增材制造系統(tǒng)粉末床中的不連續(xù)擴(kuò)展，導(dǎo)致工藝失穩(wěn)、夾雜或孔洞、激光掃描直接或間接造成的氣體吸附導(dǎo)致的孔洞、某些元素夾雜導(dǎo)致的疲勞裂紋源。例如粉末的球形度會(huì)影響粉末的流動(dòng)性，進(jìn)而影響粉末鋪設(shè)的均勻性，導(dǎo)致印刷區(qū)域所有部分的金屬熔化不均勻，并直接影響最終零件的密度；粉末氧含量的增加將導(dǎo)致零件的相對(duì)密度和拉伸強(qiáng)度顯著降低。因此SLM用的球形鈦合金要求粉末粒徑為15~60 μm，空心粉含量不大于2%，球形度不小于0.9，氧含量低，流動(dòng)性好，松裝密度不應(yīng)低于1.9 g/cm³，振實(shí)密度不應(yīng)低于2.3 g/cm³，同時(shí)，化學(xué)成分應(yīng)符合GB/T 3620.1-2016鈦及鈦合金牌號(hào)和化學(xué)成分》的要求。

圖3 激光選區(qū)熔化裝置示意圖

激光功率、掃描速度和艙口距離是決定最終SLM 產(chǎn)品性能的三個(gè)重要工藝參數(shù)。在 950~1 050℃的溫度范圍內(nèi)退火后，由于冷卻時(shí)α馬氏體相的存在，樣品的強(qiáng)度有所提高。與其他制造方法相比，SLM加工的鈦合金硬度值增加了15%~30%，抗拉強(qiáng)度值提高了10%~20%。試樣的構(gòu)建方向?qū)煨阅艿挠绊戄^小。石墨烯/氧化鋯的加入使Ti64 SLM 合金的強(qiáng)度和硬度有了顯著的提高 [46] 。

在 SLM 過(guò)程中通過(guò)原位反應(yīng)生成針狀 TiB、晶須TiB和粒狀TiC。選擇性激光熔化試樣的顯微硬度隨B4 C含量的增加而增加。B4C 為0.05% 時(shí)，SLM成形試樣的抗壓強(qiáng)度、抗壓應(yīng)變、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別為2021 MPa、29.98%、1225 MPa和14.17%。試樣的抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和應(yīng)變均有增加的趨勢(shì) [47] 。蔡小葉等研究分析激光選區(qū)熔化成形TA15鈦合金試樣室溫動(dòng)態(tài)疲勞性能，疲勞壽命數(shù)據(jù)具有一定的分散性，產(chǎn)生疲勞分散性的主要原因是選區(qū)激光熔化成形過(guò)程，金屬粉末在高能量激光的作用下快速熔化冷卻，在制件內(nèi)部隨機(jī)出現(xiàn)搭接不良、氣孔、未熔粉末等缺陷所導(dǎo)致 [48] 。

與激光選區(qū)熔化相比，電子束的穿透能力更強(qiáng)，可以熔化更厚的粉末層，其裝置的示意圖如圖4所示。在EBSM工藝中，粉末層厚度可超過(guò)75μm，甚至達(dá)到200 μm，并在保持沉積效率的同時(shí)保證良好的層間結(jié)合質(zhì)量，粉末粒徑范圍為45~105 μm，降低了粉末耗材成本。Wang等采用電子束選擇性熔融法制備了近α鈦合金TA15 （Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V）試樣，研究了其在 773~1 023 K的高溫拉伸變形行為，認(rèn)為 EBSM 制造的 TA15樣品在中溫條件下具有優(yōu)異的力學(xué)性能 [49] 。

圖4 電子束選區(qū)熔化裝置示意圖

Yang等采用電子束選擇性熔煉法（EBSM）制備了Ti6.5Al2Zr1Mo1V合金，研究了不同工藝參數(shù)下Ti6.5Al2Zr1Mo1V 合金微觀組織的差異。結(jié)果表明，在其他參數(shù)固定的情況下，當(dāng)光束電流與掃描速度之比在5.0~7.5之間波動(dòng)時(shí)，可以得到表面平整的樣品。在不同的掃描參數(shù)下，EBSM制備的樣品中籃織結(jié)構(gòu)和Widmanstatten結(jié)構(gòu)同時(shí)存在，而在低光束電流和高掃描速度下更容易形成馬氏體相α′。由于α′/β界面處的應(yīng)力集中， （α′+α+β）相的混合相比完全層狀（α+β）相具有更高的強(qiáng)度和更低的塑性 [50] 。激光金屬沉積（LMD）裝置的示意圖見(jiàn)圖5，激光金屬沉積（LMD）與激光選區(qū)熔化工藝相比，激光熔化沉積最大的差別在于粉末給料的方式，是在金屬基體上熔出熔池的同時(shí)將金屬粉末送入，隨著熱源的離去金屬熔化凝固形成一條熔覆軌跡。因此，一定程度上可以節(jié)約粉末材料，也可以用于金屬零部件的修復(fù)，消除某些復(fù)雜、特殊形狀或較大體積零件的制造缺陷，修復(fù)誤加工導(dǎo)致的零件損傷，目前激光熔化沉積技術(shù)在航空構(gòu)件制造領(lǐng)域已經(jīng)相當(dāng)成熟。由于小熔池內(nèi)對(duì)流強(qiáng)烈，增材制造（AM）可以實(shí)現(xiàn)均勻的濃度分布，是發(fā)揮更多合金元素潛能的理想合金化策略，Wang等采用激光定向能沉積技術(shù)制備了一種新成分的α+β鈦合金，沉積的新α+β鈦合金表現(xiàn)出近等軸β晶粒和晶內(nèi)超細(xì)籃狀組織，其中 α 條厚度為（0.4±0.1）μm。在隨后的退火過(guò)程中，通過(guò)宏觀擴(kuò)散形成了厚度為（1.4±0.2）μm的初級(jí) α (α p )纖維根形態(tài)，這種特殊的形態(tài)是塑性提高的主要原因。借助于這種特殊的形貌和細(xì)小次生 α (α s )的形核，合金的極限抗拉強(qiáng)度（UTS）和延展性分別達(dá)到（1 247±3）MPa和9.2%±0.2%[51] 。

圖5 激光金屬沉積裝置示意圖

與傳統(tǒng)的鍛造和鑄造方法相比，LMD 在制造速度和生產(chǎn)具有復(fù)雜幾何形狀的大型部件的能力方面具有優(yōu)勢(shì)。航空航天用鈦合金構(gòu)件經(jīng)常受到循環(huán)載荷的影響，疲勞是其最主要的失效模式之一。因此，有必要對(duì) LMD鈦合金的疲勞行為進(jìn)行評(píng)估，包括疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展。Liu等研究了Ti-6Al-2Zr-Mo-V合金在沉積和熱處理狀態(tài)下的疲勞裂紋擴(kuò)展行為，認(rèn)為α晶粒的晶粒尺寸、空間取向和晶體取向是控制LDM鈦合金疲勞裂紋擴(kuò)展行為的主要因素 [52] 。

以航空工業(yè)中最為典型的TC4鈦合金為例，常規(guī)鍛造鈦合金工件與增材制造鈦合金構(gòu)件的性能對(duì)比如表3和表4所示，表明增材制造構(gòu)件在保持高強(qiáng)拉伸屈服性能的同時(shí)，沖擊韌性和斷裂韌性也有一定提升，表明增材制造技術(shù)可實(shí)現(xiàn)TC4鈦合金航空工件的高強(qiáng)高韌。

對(duì)比鈦合金粉末三種打印技術(shù)和TC4鈦合金的力學(xué)性能參數(shù)，粉末質(zhì)量（氧含量、粒級(jí)分布、球形度等）、打印策略的選擇（激光或電子束功率、掃描速度、掃描間距、金屬粉層厚度、掃描策略等）與構(gòu)件性能（拉伸強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、韌性等）存在直接的相關(guān)性，三方面綜合分析和調(diào)整技術(shù)參數(shù)，可以獲得性能更佳的航空增材構(gòu)件。

2.2 鈦合金增材制造技術(shù)在航空構(gòu)件制造領(lǐng)域的應(yīng)用

目前在鈦合金增材制造技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于飛機(jī)大型薄壁復(fù)雜構(gòu)件的一體成形和航空發(fā)動(dòng)機(jī)精密構(gòu)件，該技術(shù)可以顯著降低航空構(gòu)件的制造周期和生產(chǎn)成本，而且可以使構(gòu)件兼?zhèn)涓邚?qiáng)與高韌的力學(xué)性能，裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展周期長(zhǎng)，增材制造部件內(nèi)部的裂紋容易檢出，能夠?qū)崿F(xiàn)可損傷容限設(shè)計(jì)，并且極大減少航空構(gòu)件的焊縫數(shù)量，使航空構(gòu)件整體的安全性得到顯著提高。目前航空鈦合金的應(yīng)用和研究主要包括高溫鈦合金、高強(qiáng)鈦合金和阻燃鈦合金等。雖然鈦合金在其使用環(huán)境下也獲得了不錯(cuò)的效益，但仍有不少項(xiàng)目在工程化應(yīng)用方面難以解決，如高鈦復(fù)合材料所具有的“熱障”性溫度、高強(qiáng)韌鈦合金無(wú)法同時(shí)獲得較大的熱強(qiáng)性和良好的斷裂韌性、鈦合金阻燃性機(jī)制研究并不清晰等。為打破傳統(tǒng)鈦合金因技術(shù)缺陷所帶來(lái)的弊端，必須研究增材制造鈦合金在不同使用環(huán)境下的組織演變規(guī)律、失效機(jī)制及其對(duì)構(gòu)件性能的影響。

2.2.1 高溫鈦合金

目前，高溫鈦合金因其具有優(yōu)良的高溫耐熱性和高強(qiáng)度，被廣泛應(yīng)用于航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)中，航空發(fā)動(dòng)機(jī)主要構(gòu)件如圖6所示，世界上先進(jìn)發(fā)達(dá)國(guó)家研發(fā)的高溫鈦合金較多，比如美國(guó)的Ti-1100、英國(guó)的IMI834、俄羅斯的 BT18Y和BT36等高溫鈦合金可在600 ℃以上穩(wěn)定應(yīng)用，T55-712及Trent700等航空發(fā)動(dòng)機(jī)上也被成功應(yīng)用。

圖6 航空發(fā)動(dòng)機(jī)主要構(gòu)件簡(jiǎn)圖

目前為止 ，由于在600 ℃以上鈦合金材料的熱強(qiáng)性和熱穩(wěn)定性仍然是一個(gè)較難克服的問(wèn)題，因此目前對(duì)于研發(fā)溫度在600 ℃以上并正常使用的航空發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦合金仍然面臨著很大的問(wèn)題和挑戰(zhàn)，嚴(yán)重制約著高溫鈦合金的發(fā)展。較為常見(jiàn)的鈦合金高溫強(qiáng)化工藝有 ：

（1）添加稀土元素，稀土元素對(duì)鈦合金基體產(chǎn)生脫氧作用，或彌散出高熔點(diǎn)稀土氧化物；

（2）研發(fā)高溫抗氧化涂層，避免鈦合金長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣中；

（3）SiCf/Ti復(fù)合材料和TiAl材料是新一代高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)用的兩種關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料 [53] 。美國(guó) ARC公司采用SiC纖維/金屬絲編織條帶與Ti粉熱壓復(fù)合工藝制作了直徑17.8 cm的模擬葉環(huán)和F119發(fā)動(dòng)機(jī)矢量噴管驅(qū)動(dòng)器傳動(dòng)活塞桿。普惠公司制備了PW4084SiCf/Ti風(fēng)扇葉片，研發(fā)TiAl和TiAl型金屬間化合物為基的鈦合金，鈦與鋁制成的鈦鋁合金，抗氧化能力強(qiáng)，抗蠕變性能好，質(zhì)量更輕，最高溫度可以達(dá)到800 ℃以上，同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)Nb元素的添加可以改善鈦鋁基合金的韌性、塑性和抗高溫氧化性，源于 Nb 的添加導(dǎo)致 O 相（Orthorhombic phase）的出現(xiàn)，從而進(jìn)一步提高了鈦合金的使用溫度。相比常規(guī)的高溫鎳基合金，鈦鋁系合金可實(shí)現(xiàn)航空構(gòu)件減重40%的效果 [9] ，但由于鈦鋁合金室溫脆性強(qiáng)，用傳統(tǒng)方法制造鈦鋁合金制件比較困難，而采用增材制造技術(shù)可以有效避免成形過(guò)程中鈦鋁合金制件的開裂。

2.2.2 高強(qiáng)鈦合金

高強(qiáng)韌鈦合金一般指室溫下最大抗拉強(qiáng)度在1 000 MPa以上，最大斷裂韌度在 55 MPa·m 1/2 以上的鈦合金，包括α/β鈦合金和β鈦合金。TC4、TC17和TC21等都屬于α/β鈦合金，其中由我國(guó)自主研發(fā)的 TC21（Ti-6Al-2Mo-1.5Cr-2Zr-2Sn-2Nb）合金已經(jīng)被用于制造飛機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)零部件和結(jié)構(gòu)件；航空領(lǐng)域中使用得最為普遍的5種高強(qiáng)度β鈦合金，包括 Ti-10-2-3、Ti-5553、Ti-15-3、β-C、β-21S。其他新研發(fā)的主要β鈦合金（如β-CEZ、β-Ⅲ、β-LCB）多添加Fe作為β穩(wěn)定元素，減少了V、Mo、Nb、Ta等β相穩(wěn)定元素的添加量，其目的是減少材料生產(chǎn)成本。

2.2.3 阻燃鈦合金

航空發(fā)動(dòng)機(jī)中鈦合金零件的熱系數(shù)較低，燃燒熱高，在高速碰撞和熱粒子沖擊下易產(chǎn)生“鈦火”。鈦合金的自燃速度快，通常在4~20 s，自燃反應(yīng)一經(jīng)發(fā)生就很難停止，會(huì)帶來(lái)很大的經(jīng)濟(jì)損失。為了將“鈦火”這一難點(diǎn)攻克，阻燃鈦合金的設(shè)計(jì)和研制顯得尤為重要。目前 Ti-V-Cr和 Ti-Cu兩個(gè)不同阻燃機(jī)制的鈦合金相繼被研制。我國(guó)科研人員在Alloy C、Alloy C ＋ 和Ti40合金的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)整Si、C元素的含量而研制成功的一種新型高合金化型Ti-V-Cr系 阻 燃 鈦 合 金 WSTi3515S（Ti-35V-15Cr -x Si -y C），2013年鍛造試制出首個(gè) WSTi3515S合金半圓形鍛件。機(jī)械加工困難已成為困擾阻燃鈦合金工程化進(jìn)程的主要難題之一，尤其是銑削加工，超長(zhǎng)的加工周期以及昂貴的加工成本大大限制了阻燃鈦合金的推廣應(yīng)用領(lǐng)域 [54] 。

3、 結(jié)語(yǔ)與展望

（1）相比其他鈦合金粉末制備技術(shù)，等離子旋轉(zhuǎn)電機(jī)霧化法PREP和電極感應(yīng)氣霧化法EIGA所得鈦合金粉末粒度細(xì)、球形度高、雜質(zhì)含量低，適用于航空構(gòu)件的增材制造領(lǐng)域。

（2）鈦及鈦合金粉末的質(zhì)量是影響粉末冶金鈦合金性能的重要因素之一。鈦合金粉末的非金屬夾雜、氣體夾雜、顆粒尺寸偏差和合金成分偏差等都可能造成增材制造系統(tǒng)粉末床中的不連續(xù)擴(kuò)展，導(dǎo)致工藝失穩(wěn)、夾雜或孔洞、激光掃描直接或間接造成的氣體吸附導(dǎo)致的孔洞、某些元素夾雜導(dǎo)致的疲勞裂紋源。增材制造過(guò)程中引入氧（O）和氮（N）

原子會(huì)改變鈦合金的化學(xué)成分，導(dǎo)致晶格畸變，從而阻礙位錯(cuò)滑移和孿晶，最終導(dǎo)致強(qiáng)度提高，但塑性降低。因此，制備低間隙元素含量的鈦及鈦合金粉末是未來(lái)發(fā)展熱點(diǎn)之一。

（3）針對(duì)鈦合金難加工特點(diǎn)，鈦合金的增材制造技術(shù)具有巨大的發(fā)展前景，由于航空構(gòu)件的特殊性，構(gòu)件復(fù)雜程度也超出常規(guī)構(gòu)件等，增材制造技術(shù)可以避免常規(guī)制造技術(shù)過(guò)程繁瑣，后續(xù)加工工序復(fù)雜的問(wèn)題。隨著鈦合金增材制造在航空領(lǐng)域的普及，增材制造設(shè)備高精度、高效率和大型化將是未來(lái)的發(fā)展方向。

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