1.3钛合金的电子束熔丝成形

1.3.1钛合金的电子束熔丝成形的研究现状和趋势

电子束熔丝快速成形技术（EBM）具有加工时间短，可比其他方法快5倍以上，成形金属零件致密度高，零件精度高等特点。该项技术在汽车生产、石油化工和医疗器材等领域已经投入使用，但在航空航天领域起步较晚，关于这方面的研究较少，未来发展的空间会很大，还需科研人员继续深入探索。Ti-6Al-4V是使用最多的钛合金，在航空航天领域上，制造接头、风扇、叶盘、梁等[28]重要构件的主要材料便是Ti-6Al-4V，而电子熔丝成形技术是使Ti-6Al-4V成形的主要方法之一。清华大学在较早期就进行了关于钛合金的电子束熔丝成形的研究，并设计出了一系列的相关机器设备。自2007年后，北京航空制造工程研究所便对航空领域中钛合金的应用进行了深入的探索，设计出数据处理软件等重要技术[29]。电子束熔丝成形技术所形成的组织形态既不同于传统组织，也跟常规热加工组织的形态有所差别，其特殊之处在于，相同成分的金属强度塑性匹配不是很优良，在使用不同钛合金的情况下，强度塑性匹配各自表现也不一样。前期研究[30]表明，钛合金的高强合金会出现塑性和韧性均偏低的现象，经过电子束熔丝成形后，钛合金的强度可以达到锻件标准所要求的强度，但塑性还是较差，基本上都是脆性断裂，这类现象也暴露出关于钛合金的增材制造技术的困难所在。

1.3.2 钛合金电子束熔丝成形存在的主要问题

在我国，关于电子束熔丝成形技术的基础性理论研究还比较不完备，西方发达国家公布的关于这方面的资料的也很少，导致国内对于这方面的研究只能依靠自身的探索，研究速度较缓慢。目前国内对于此项技术暴露出的问题有以下三个方面[31]：

1、电子束熔丝成形技术的原理是多层堆积，在对钛合金进行熔化和堆积过程中，Ti合金内部会随着时间变化出现跟使用以往加工方式不同的特殊缺陷形态和凝固组织，随着化学成分发生变化，其物理性能也会改变，目前我国关于这方面的研究还比较少，有待各研究院及高校进行深入的研究；

2、在成形过程中，大型构件会出现不同的变形规律，相应的控制方法和应力累积在国内还未得到很好的说明；

3、使用电子束熔丝成形技术生产出的钛合金构件强度要比锻造技术生产出的构件强度更低，如果让高强Ti合金的强度达到了规定的要求，其塑性又会变得较差，这一难题限制了钛合金在工业上的大规模使用，如果可以攻破这一课题，相信未来工业方面将迎来新的材料变革。

每种材料加工技术都是有其不足之处，EBM技术同样存在缺陷，但总体而言，该技术的优势在制造多功能纳米材料和航空领域还是具有很大的发展空间[32]，EBM技术最大的优势便是扫描速度更快，非常适合于生产大尺寸金属构件和提高样品表面质量上，这是其他加工方法无法比拟的[33]，特别是在金属材料表面和构建方向的夹角大概为直角时，在高温合金材料制备领域中采用此项技术会更适合[34]。

1.3.3 选择用于电子束熔丝成形的钛合金样品

TC4钛合金的重要组成成分是Ti-6Al-4V，是(α+β)型钛合金的其中一种，其强度较高，比强度大，工业应用中可以很好地发挥其优良的综合力学机械性能优势，是工业生产中的一类重要金属材料。TA1合金是α合金的其中一种，一般的，α合金是含有百分之六的铝元素和少量的其他元素，其屈强比较高，但弹性模量较小，这导致其冷成形比较困难，此外，工业纯钛的熔点较高，当温度升高时，强度会有所下降，这是与其内部显微组织变化有关的。TA1钛合金在电子束熔丝成形过程中，设备参数不同和加工工艺不同会导致其性能有所差异，在实验过程中，只有找到最佳设计参数，选择合理的加工方式，才可能使得增材制造成形的钛合金力学性能达到最优。