Ti-48Al-2Cr-2Nb鈦鋁合金具有低密度、高比強(qiáng)、高模量、高溫抗氧化性等特點(diǎn)，比鎳基高溫合金減重約50%。電子束選區(qū)熔化金屬3D打印技術(shù)制備，這個(gè)合金材料作為一種最新穎、最前端的成形手段，被認(rèn)為是它的不二之選，并以其獨(dú)特的微區(qū)熔化、循環(huán)熱處理、快速凝固等工藝優(yōu)勢(shì)，克服了鑄造、鑄錠冶金、粉末冶金組織粗大及凝固組織疏松等問題。由于其本身特性，對(duì)電子束成形過程帶來(lái)了較大的技術(shù)挑戰(zhàn)。目前，國(guó)內(nèi)利用電子束設(shè)備完成Ti-48Al-2Cr-2Nb合金成形的公司屈指可數(shù)，能夠成形大尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的公司更是寥寥無(wú)幾。

2021年3月，西安空天機(jī)電智能制造有限公司（以下簡(jiǎn)稱：西空智造）通過前期的不斷努力取得重大進(jìn)展，解決了電子束成形Ti-48Al-2Cr-2Nb合金過程中粉末潰散（吹粉）、層間結(jié)合不足、鋁元素?fù)]發(fā)、致密度低、零件橫縱組織性能不均一等技術(shù)難點(diǎn)問題。

圖1為電子束成形過程中前期粉末潰散現(xiàn)象。通過對(duì)預(yù)熱工藝的優(yōu)化升級(jí)，成功打印出了不同高度性能一致的高尺寸試棒，如圖2所示，圖3是縱向面微觀組織。

圖1  電子束粉末潰散瞬間

圖2  電子束3D打印高度90mm  Ti-48Al-2Cr-2Nb拉伸試棒

圖3  沉積態(tài)均勻的微觀組織

經(jīng)后期的組織調(diào)控，使得Ti-48Al-2Cr-2Nb試件的橫縱組織更均勻化，致密度可達(dá)到99.6%以上，下表為橫縱試棒平均力學(xué)性能數(shù)據(jù)。                    

表1 采用電子束技術(shù)Ti-48Al-2Cr-2Nb粉末打印的力學(xué)性能數(shù)據(jù)

  在此基礎(chǔ)上，西空智造又對(duì)制備大尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的工藝參數(shù)優(yōu)化升級(jí)，對(duì)材料不同高度組織演變進(jìn)行針對(duì)性的調(diào)控，對(duì)工藝參數(shù)及打印條件調(diào)控做出改動(dòng)后，?110mm×66mm的高致密、無(wú)裂紋的Ti-48Al-2Cr-2Nb增壓器渦輪成功成形，這也標(biāo)志著西空智造成為首批可成形鈦鋁復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的企業(yè)。同時(shí)，通過對(duì)掃描路徑及束斑聚焦的優(yōu)化，攻克了薄壁曲形過渡件成形工藝難題。

圖4  電子束成形?110mm×66mm Ti-48Al-2Cr-2Nb合金增壓器渦輪

  通過對(duì)電子束掃描路徑及成形溫度優(yōu)化后成形的Ti-48Al-2Cr-2Nb合金薄壁圓環(huán)曲形件。

圖5  電子束成形壁厚為1mm的圓環(huán)結(jié)構(gòu)

  據(jù)悉，美國(guó)GE航空已經(jīng)正式宣布GE9XFAA發(fā)動(dòng)機(jī)獲得美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（FAA）的認(rèn)證，目前該發(fā)動(dòng)機(jī)已有300多個(gè)增材制造零部件，其中利用電子束選區(qū)熔融技術(shù)成形的鈦鋁低壓渦輪葉片就是其中之一。現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)針對(duì)電子束成形鈦鋁過程中組織演變及精確控制方面缺少系統(tǒng)性研究，尤其是在電子束成形鈦鋁葉片面向工程化應(yīng)用方面的基礎(chǔ)更是薄弱。西空智造以現(xiàn)有的技術(shù)為基礎(chǔ)，誠(chéng)摯希望聯(lián)合國(guó)內(nèi)各大高校、航空航天研究院所、企事單位共同推進(jìn)該領(lǐng)域、該技術(shù)的工程化應(yīng)用，強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，攻堅(jiān)克難，協(xié)同創(chuàng)新，為打好國(guó)家核心技術(shù)攻堅(jiān)戰(zhàn)貢獻(xiàn)我們自己的力量。