鈦合金具有高(gao)(gao)比強(qiang)度(du)、比剛(gang)度(du)和(he)(he)良(liang)好的(de)(de)(de)(de)耐腐蝕性能，滿足了(le)飛(fei)機(ji)高(gao)(gao)機(ji)動性、高(gao)(gao)可靠性和(he)(he)長(chang)壽命(ming)的(de)(de)(de)(de)設(she)計(ji)需要(yao)，其應用(yong)(yong)水平已成為衡量飛(fei)機(ji)選材(cai)先進(jin)程度(du)的(de)(de)(de)(de)一個重要(yao)標志[1-2]。性能    和(he)(he)成本(ben)是(shi)材(cai)料技術發展永恒的(de)(de)(de)(de)兩(liang)大驅動力(li)，而輕量化(hua)、整體(ti)化(hua)、結(jie)構(gou)功能一體(ti)化(hua)是(shi)飛(fei)行器結(jie)構(gou)設(she)計(ji)、材(cai)料應用(yong)(yong)和(he)(he)制造(zao)技術共同面臨的(de)(de)(de)(de)挑戰。在過去的(de)(de)(de)(de)幾十(shi)年里，諸(zhu)如熱等靜壓、注(zhu)塑成形、放(fang)電等離子(zi)燒結(jie)等近凈成形技術在鈦合金領域獲得了(le)長(chang)足的(de)(de)(de)(de)進(jin)步，但氧含(han)量、孔隙率等瓶頸問題依然(ran)沒有得到有效解決(jue)，因此制約了(le)其在航空鈦合金結(jie)構(gou)制造(zao)中的(de)(de)(de)(de)應用(yong)(yong) [3-4]。

航空(kong)鈦合(he)(he)金零(ling)件(jian)(jian)(jian)的(de)(de)生產(chan)工(gong)(gong)序(xu)(xu)多、流程長（圖(tu) 1），鍛(duan)件(jian)(jian)(jian)的(de)(de)材(cai)(cai)料利用(yong)率通(tong)常不到 10%，其(qi)切削加工(gong)(gong)的(de)(de)成(cheng)本占40% 左右。此外，鈦合(he)(he)金流變應力大(da)，需(xu)要在(zai)高溫條件(jian)(jian)(jian)下成(cheng)形(xing)，模具(ju)費 用(yong)高昂(ang)。這些因素極(ji)大(da)地影響了(le)(le)鈦合(he)(he)金零(ling)件(jian)(jian)(jian)的(de)(de)制造(zao)(zao)(zao)成(cheng)本與供貨周(zhou)期。增(zeng)材(cai)(cai)制造(zao)(zao)(zao)作為(wei)近(jin)凈成(cheng)形(xing)技術的(de)(de)一個新(xin)方(fang)向(xiang)，是一種(zhong)基于離(li)散 - 堆積(ji)原理(li)，采用(yong)材(cai)(cai)料逐層累加的(de)(de)方(fang)法由(you)三維數模直接制造(zao)(zao)(zao)零(ling)件(jian)(jian)(jian)的(de)(de)技術[5-6]，可分為(wei) CAD 建模、分層處理(li)、成(cheng)形(xing)制造(zao)(zao)(zao)、后處理(li) 4 個工(gong)(gong)序(xu)(xu)（圖(tu) 2）。增(zeng)材(cai)(cai)制造(zao)(zao)(zao)無需(xu)模具(ju)，在(zai)一臺設備上可快(kuai)速精密地制造(zao)(zao)(zao)出(chu)復雜(za)形(xing)狀的(de)(de)零(ling)件(jian)(jian)(jian)，大(da)大(da)減少了(le)(le)工(gong)(gong)序(xu)(xu)并縮短了(le)(le)周(zhou)期，尤其(qi)適合(he)(he)鈦合(he)(he)金、高溫合(he)(he)金等難加工(gong)(gong)材(cai)(cai)料的(de)(de)成(cheng)形(xing)。

航(hang)空(kong)產(chan)品具有(you)多品種(zhong)、小批(pi)量的(de)特點，零件結構越(yue)(yue)復雜，增材(cai)制(zhi)造的(de)成本和(he)效率優勢(shi)相比(bi)傳(chuan)統制(zhi)造方法(fa)就越(yue)(yue)顯著，尤其是在飛機研制(zhi)與定型階段，各(ge)種(zhong)增材(cai)制(zhi)造方法(fa)已發揮不可替(ti) 代的(de)作用，展現出巨大的(de)科研價值和(he)經濟效益(yi)[7-8]。

一、鈦合金增材制造技術及其應用

鈦合金的增材(cai)制造可分(fen)為(wei)直接能量沉積(ji)與(yu)粉(fen)末床(chuang)熔(rong)化兩(liang)個技(ji)術類別，再(zai)根據熱源的不同，如今形成了激(ji)(ji)光熔(rong)粉(fen)沉積(ji)（Laser MetalDeposition, LMD）、電(dian) 子(zi) 束(shu) 熔(rong) 絲 沉積(ji)（Electron Beam Wire Deposition,EBWD）、電(dian) 弧 熔(rong) 絲 沉 積(ji)（Wire ArcAdditive Manufacturing, WAAM）、激(ji)(ji)光選區(qu)熔(rong)化（Selective Laser Melt-ing, SLM）、電(dian)子(zi)束(shu)選區(qu)熔(rong)化（ElectronBeam Melting, EBM）5 種主要(yao)方法（表1）。

直(zhi)接能(neng)量沉(chen)積(ji)技(ji)術(shu)(shu)效率高，平(ping)臺(tai)柔性好，成(cheng)(cheng)形(xing)零(ling)(ling)(ling)件(jian)(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)尺(chi)寸大(da)(da)，還(huan)可在原(yuan)有(you)零(ling)(ling)(ling)件(jian)(jian)(jian)上進行修復(fu)和再(zai)制(zhi)造(zao)，但缺點(dian)(dian)(dian)是不(bu)具備(bei)制(zhi)造(zao)復(fu)雜空(kong)心(xin)結(jie)構的(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)力(li)，成(cheng)(cheng)形(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)毛坯(pi)還(huan)需要(yao)經過較多的(de)(de)(de)(de)(de)機 械加工(gong)(gong)才(cai)能(neng)獲(huo)得(de)最終零(ling)(ling)(ling)件(jian)(jian)(jian)。值(zhi)得(de)一提的(de)(de)(de)(de)(de)是，激光熔粉沉(chen)積(ji)方(fang)法還(huan)能(neng)同步混合(he)不(bu)同材料的(de)(de)(de)(de)(de)粉末來(lai)實(shi)現復(fu)合(he)材料的(de)(de)(de)(de)(de)成(cheng)(cheng)形(xing)。相(xiang)比(bi)之下，選區(qu)熔化技(ji)術(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)最大(da)(da)優(you)點(dian)(dian)(dian)是其復(fu)雜精密結(jie)構的(de)(de)(de)(de)(de)成(cheng)(cheng) 形(xing)能(neng)力(li)（如帶有(you)內流道的(de)(de)(de)(de)(de)葉片或(huo)空(kong)間點(dian)(dian)(dian)陣結(jie)構），然而(er)零(ling)(ling)(ling)件(jian)(jian)(jian)尺(chi)寸受到成(cheng)(cheng)形(xing)腔空(kong)間的(de)(de)(de)(de)(de)限制(zhi)。從(cong)熱源的(de)(de)(de)(de)(de)角(jiao)度來(lai)說，電子束需要(yao)在真空(kong)環境(jing)中運行，雖然成(cheng)(cheng)本較高，但成(cheng)(cheng)形(xing)過程中殘余應力(li)小(xiao)，成(cheng)(cheng)形(xing)零(ling)(ling)(ling)件(jian)(jian)(jian)通常無須退火；而(er)激光或(huo)電弧在惰性氣體環境(jing)中運行，冷卻速度快，成(cheng)(cheng)形(xing)零(ling)(ling)(ling)件(jian)(jian)(jian)殘余應力(li)較高。表2 列舉(ju)了 5 種增材制(zhi)造(zao)工(gong)(gong)藝及其成(cheng)(cheng)形(xing)零(ling)(ling)(ling)件(jian)(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)特點(dian)(dian)(dian)，從(cong) 5 個量化維(wei)度（圖3）來(lai)看，這幾種工(gong)(gong)藝各有(you)優(you)勢，重要(yao)的(de)(de)(de)(de)(de)是根據所需成(cheng)(cheng)形(xing)零(ling)(ling)(ling)件(jian)(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)特點(dian)(dian)(dian)來(lai)選擇與之適(shi)應的(de)(de)(de)(de)(de)工(gong)(gong)藝。直(zhi)接能(neng)量沉(chen)積(ji)技(ji)術(shu)(shu)（LMD, EBWD，WAAM）適(shi)合(he)于大(da)(da)型零(ling)(ling)(ling)件(jian)(jian)(jian)毛坯(pi)的(de)(de)(de)(de)(de)快速成(cheng)(cheng)形(xing)，而(er)粉末床熔化技(ji)術(shu)(shu)（SLM, EBM）適(shi)合(he)于小(xiao)型復(fu)雜零(ling)(ling)(ling)件(jian)(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)精密成(cheng)(cheng)形(xing)。

激(ji)光熔(rong)(rong)粉(fen)沉(chen)積技(ji)(ji)術(shu)的(de)(de)起步(bu)較早，1995 年美(mei)(mei)國(guo)(guo) Sandia 國(guo)(guo)家實(shi)驗室開(kai)(kai)發出(chu)了(le)(le)(le)用激(ji)光束(shu)逐層熔(rong)(rong)化金屬粉(fen)末(mo)來制(zhi)造致密金屬零件(jian)的(de)(de)技(ji)(ji)術(shu)，針對鈦合(he)(he)(he)(he)(he)金、高溫(wen)合(he)(he)(he)(he)(he)金、不銹鋼等多(duo)種材料(liao)開(kai)(kai) 展了(le)(le)(le)大(da)量工藝(yi)研究。1995 年起，美(mei)(mei)國(guo)(guo)國(guo)(guo)防部高級研究計劃署和(he)海(hai)軍實(shi)驗室聯(lian)合(he)(he)(he)(he)(he)出(chu)資，由(you)約翰霍普金斯大(da)學(xue)、賓夕法尼亞州立(li)(li)大(da)學(xue)和(he) MTS 公(gong)司(si)(si)共同開(kai)(kai)發了(le)(le)(le)利用大(da)功率 CO2 激(ji)光器實(shi)現大(da)尺寸鈦合(he)(he)(he)(he)(he)金零件(jian)的(de)(de)制(zhi)造技(ji)(ji)術(shu)，并合(he)(he)(he)(he)(he)作(zuo)(zuo)成立(li)(li)了(le)(le)(le) AeroMet 公(gong)司(si)(si)，實(shi)現了(le)(le)(le) Ti-6Al-4V 合(he)(he)(he)(he)(he)金 1~2kg/h 的(de)(de)沉(chen)積速率。AeroMet 公(gong)司(si)(si)獲得了(le)(le)(le)美(mei)(mei)國(guo)(guo)軍方資助，開(kai)(kai)展了(le)(le)(le)飛機機身鈦合(he)(he)(he)(he)(he)金結 構(gou)件(jian)的(de)(de)激(ji)光熔(rong)(rong)粉(fen)沉(chen)積技(ji)(ji)術(shu)研究，完成了(le)(le)(le)性能考核和(he)標(biao)準制(zhi)定，并于(yu) 2002年 實(shi) 現 Ti-6Al-4V 次 承 力 構(gou) 件(jian) 在F/A-18 等飛機上的(de)(de)裝機應用[9-11]。 在熔(rong)(rong)絲成形方面，美(mei)(mei)國(guo)(guo) Sciaky公(gong)司(si)(si)聯(lian)合(he)(he)(he)(he)(he)洛克希德 · 馬丁(ding)與波(bo)音公(gong)司(si)(si)等合(he)(he)(he)(he)(he)作(zuo)(zuo)開(kai)(kai)展大(da)型航空(kong)鈦合(he)(he)(he)(he)(he)金零件(jian)的(de)(de)電子束(shu)熔(rong)(rong)絲沉(chen)積（EBWD）研究。

洛·馬公司選定了 F-35 飛機(ji)的(de)襟副翼梁作為電子束(shu)熔絲成(cheng)形的(de)試驗(yan)件(jian)，零(ling)件(jian)成(cheng)本(ben)降(jiang)低 30%~60%[12]。此外，針對海軍無人戰(zhan)斗機(ji)計劃，美(mei)國 CTC公司領導的(de)研究小組制定了“無人戰(zhan)機(ji)金(jin)屬制造技術提升計劃”，將(jiang)電子束(shu)熔絲技術作為未(wei)來大型結構低成(cheng)本(ben)高效(xiao)制造的(de)方案，目標是將(jiang)無人機(ji)鈦(tai)合(he)金(jin)結構的(de)重量和成(cheng)本(ben)降(jiang)低 35%。

2010 年以來，挪(nuo)威(wei) Norsk Titanium 公司(si)開發了(le)電弧熔絲沉積（WAAM）設(she)備并制備了(le)鈦(tai)合(he)金(jin)零件，其(qi)長度達到1m。它(ta)采用混合(he)制造的(de)(de)(de)(de)方法，在(zai) Ti-6Al-4V 板材的(de)(de)(de)(de)局部(bu)沉積形成帶有肋(lei)條的(de)(de)(de)(de)毛坯，再經(jing)過機械(xie)加工(gong)而成，其(qi)材料利用率約 30%，力學(xue)性能(neng)可達到鍛件水平(ping)。該公司(si)的(de)(de)(de)(de)鈦(tai)合(he)金(jin) WAAM技(ji)術(shu)于 2016 年獲得了(le)美國聯邦航(hang)空(kong)管理局的(de)(de)(de)(de)技(ji)術(shu)成熟(shu)度 8 級認(ren)證。此外，克蘭菲爾德大(da)(da)學(xue)于開發了(le)基于等離(li)子弧的(de)(de)(de)(de)鈦(tai)合(he)金(jin) WAAM 技(ji)術(shu)，其(qi)沉積效率更高，控制也更容易[13-14]。這3 種直(zhi)接能(neng)量(liang)沉積技(ji)術(shu)在(zai)航(hang)空(kong)鈦(tai)合(he)金(jin)結構的(de)(de)(de)(de)研制與驗(yan)證階(jie)段可大(da)(da)幅降低成本，縮短迭代(dai)周期。

在(zai)航空領域，設計(ji)與(yu)(yu)制造的(de)(de)(de)融合是(shi)未來的(de)(de)(de)大方向，目前(qian)激光(guang)選(xuan)區熔(rong)化與(yu)(yu)電子(zi)束選(xuan)區熔(rong)化是(shi)應用前(qian)景最被看好的(de)(de)(de)技術(shu)，GE 于 2017 年斥(chi)資收購 Concept Laser 與(yu)(yu) Arcam 便(bian)是(shi)有力 的(de)(de)(de)證明。只(zhi)有選(xuan)區熔(rong)化技術(shu)具備成(cheng)(cheng)形復雜精密結(jie)構的(de)(de)(de)能力，而這種能力與(yu)(yu)航空零(ling)件(jian)結(jie)構優化的(de)(de)(de)需求高度吻合。目前(qian) SLM 的(de)(de)(de) OEM 廠商有 EOSGmbH，Renishaw Inc.，SLM SolutionsGmbH，Concept Laser GmbH（2017年被 GE 收購）等，Concept Laser XLine 2000 設備的(de)(de)(de)最大成(cheng)(cheng)形零(ling)件(jian)尺寸(cun)可達(da) 800mm×400mm×500mm ；而電子(zi)束選(xuan)區熔(rong)化的(de)(de)(de)商業(ye)化設備僅有Arcam AB（2017 年被 GE 收購）能夠提(ti)供(gong)，其 Arcam Q20 設備成(cheng)(cheng)形腔尺寸(cun)為 φ350mm×380mm。

空客通過(guo)基于(yu)有(you)限元分(fen)析的(de)(de)結(jie)構優化(hua)應(ying)用于(yu)現(xian)(xian)有(you)零(ling)件的(de)(de)再(zai)設計(ji)，采用激光選區熔化(hua)技(ji)術(shu)實現(xian)(xian)了大幅減重，而優化(hua)后高度復雜(za)的(de)(de)結(jie)構是(shi)其他方(fang)法(fa)難以(yi)完成的(de)(de)（圖 4）。另一個優化(hua)設計(ji)的(de)(de)例子是(shi)座椅(yi)安全帶的(de)(de)鎖扣，采用優化(hua)設計(ji)后的(de)(de) Ti-6Al-4V 替代不(bu)銹鋼(gang)可(ke)實現(xian)(xian) 55% 的(de)(de)減重，對于(yu)具有(you) 853 個座椅(yi)的(de)(de)空客 A380 來說，服役期間可(ke)節(jie)省(sheng) 300 萬(wan)美元的(de)(de)燃油費 用，而這些(xie)采用 SLM 制造的(de)(de)鎖扣成本僅 25 萬(wan)美元。第一個進入批產(chan)的(de)(de)SLM 零(ling)件是(shi) GE LEAP 發(fa)動機(ji)中的(de)(de)高溫合金燃油噴嘴[15]，原有(you)的(de)(de) 20 個組件現(xian)(xian)在變為(wei) 1 個，實現(xian)(xian)了 25% 的(de)(de)減重，并且壽命是(shi)原有(you)零(ling)件的(de)(de) 5 倍。到2020 年將有(you) 10 萬(wan)件采用 SLM 技(ji)術(shu)生產(chan)的(de)(de)燃油噴嘴裝(zhuang)載(zai)在 LEAP 發(fa)動機(ji)里，為(wei)波(bo)音(yin) 737MAX 和空客 A320NEO 提供動力。

美 國 橡 樹(shu) 嶺 國 家 實 驗 室(shi)（ORNL）是(shi)最早開展 EBM 成(cheng)形技術 研 究 的(de)(de) 機 構 之 一，從 2010 年 開始與洛克希德 · 馬丁公司(si)共同進行(xing)F-35 鈦合(he)金(jin)空(kong)氣泄漏檢測(ce)支架(jia)的(de)(de)研制(zhi)(zhi)與認(ren)證，結(jie)果顯示(shi) EBM Ti-6Al-4V 支架(jia)的(de)(de)化學成(cheng)分與力(li)學性能(neng)滿(man)足(zu)ASTM 標準要求[16]。GE-Avio 采用EBM 成(cheng)形的(de)(de)鈦合(he)金(jin)除油器部件已經(jing)通過飛行(xing)測(ce)試，這種蜂窩結(jie)構是(shi)傳統    制(zhi)(zhi)造方(fang)法難(nan)以實現的(de)(de)。此外，該(gai)公司(si)首次將 EBM 技術應(ying)用到(dao)鈦基(ji)金(jin)屬(shu)間化合(he)物零(ling)件的(de)(de)制(zhi)(zhi)造上，以代替原有的(de)(de)鑄造成(cheng)形技術[17]。目(mu)前，TiAl 發動機低壓渦(wo)輪(lun)葉(xie)片(pian)已經(jing)進入工廠測(ce)試階段。

在國內(nei)，航空工(gong)業制造(zao)院、北京航空航天大學(xue)(xue)、西(xi)北工(gong)業大學(xue)(xue)等單位(wei)在航空鈦合金增材制造(zao)技術研發與應用方面處(chu)于領(ling)先地(di)位(wei)，涉及的鈦合金材料包括 Ti-6Al-4V、TA15、 TC11、TC18、TC21 等，多個零件實現(xian)了裝機應用[12，18]。此(ci)外，航空工(gong)業制造(zao)院還實現(xian)了 TiAl 低(di)壓渦輪葉片(pian)與蜂窩(wo)結構的 EBM 制造(zao)（圖 5）[19]。

二、增材制造鈦合金顯微組織與力學性能

增材制造實際上是(shi)一個微鑄(zhu)造過程，但其(qi)冷卻(que)速度極快，其(qi)中包(bao)含(han)的(de)多種物理過程如圖 6 所示(shi)[20]。

熔(rong)(rong)池(chi)凝固過(guo)程(cheng)中(zhong)，電子束 / 激(ji)光(guang) /電弧為(wei)(wei)熱源，基(ji)板為(wei)(wei)熱沉(chen)，因(yin)此凝固過(guo)程(cheng)沿(yan)著沉(chen)積方(fang)向（z 向）發生。在(zai)第(di) n 層(ceng)粉末或(huo)絲材(cai)熔(rong)(rong)化的(de)(de)(de)(de)(de)過(guo)程(cheng)中(zhong)，之(zhi)前的(de)(de)(de)(de)(de)第(di) n-1 層(ceng)已凝固的(de)(de)(de)(de)(de)材(cai)料(liao)也被(bei)(bei)部 分熔(rong)(rong)化，形(xing)成了(le)外延(yan)生長(chang)(chang)的(de)(de)(de)(de)(de)條件，這導致(zhi)了(le)沿(yan) z 向生長(chang)(chang)的(de)(de)(de)(de)(de)柱狀晶(jing)(jing)。在(zai)以上 5 種(zhong)增材(cai)制(zhi)(zhi)造(zao)方(fang)法(fa)制(zhi)(zhi)備的(de)(de)(de)(de)(de)鈦(tai)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)中(zhong)，這種(zhong)外延(yan)生長(chang)(chang)導致(zhi)的(de)(de)(de)(de)(de)柱狀晶(jing)(jing)非常普(pu)遍(bian)[21-25]，但由于冷卻(que)速度的(de)(de)(de)(de)(de)差(cha)異(yi)，柱狀晶(jing)(jing)的(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)貌(mao)有(you)所(suo)不同(tong)，冷速較高的(de)(de)(de)(de)(de)工藝（如 LMD 與(yu) SLM）會在(zai)鈦(tai)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)中(zhong)形(xing)成馬氏體相。圖 7 為(wei)(wei) EBM Ti-6Al-4V 合(he)(he)(he)金(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)(de)三維顯微(wei)組(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)，可見毫米級的(de)(de)(de)(de)(de) β 柱狀晶(jing)(jing)沿(yan) z 向外延(yan)生長(chang)(chang)，它們之(zhi)間被(bei)(bei)晶(jing)(jing)界 α 相隔(ge)開(kai)。在(zai)每一個(ge) β 晶(jing)(jing)粒內部，魏氏組(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)占主導地位，同(tong)時有(you)少量(liang)的(de)(de)(de)(de)(de) α/β 集束。值得(de)一提的(de)(de)(de)(de)(de)是，增材(cai)制(zhi)(zhi)造(zao)材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)顯微(wei)組(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)是由移動熔(rong)(rong)池(chi)中(zhong)熔(rong)(rong)體的(de)(de)(de)(de)(de)冶金(jin)(jin)動力學行為(wei)(wei)與(yu)晶(jing)(jing)體形(xing)核 / 長(chang)(chang)大(da)(da)機制(zhi)(zhi)決定的(de)(de)(de)(de)(de)，LMD 技術在(zai)材(cai)料(liao)顯微(wei)組(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)控制(zhi)(zhi)方(fang)面具(ju)有(you)較大(da)(da)的(de)(de)(de)(de)(de)自由度，早在(zai) 2001 年，Gaumann 等(deng)[26] 就實(shi)現了(le)單晶(jing)(jing)與(yu)多晶(jing)(jing)鎳基(ji)高溫合(he)(he)(he)金(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)(de)調控，而(er) Liu 等(deng)[27]通過(guo)送(song)粉量(liang)與(yu)激(ji)光(guang)功率的(de)(de)(de)(de)(de)匹(pi)配實(shi)現了(le)具(ju)有(you)等(deng)軸晶(jing)(jing)與(yu)柱狀晶(jing)(jing)混合(he)(he)(he)組(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)鈦(tai)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)(de)成形(xing)。

針對不(bu)同增材制造鈦合(he)金顯(xian)微組(zu)(zu)織與(yu)力學性能(neng)的(de)研究很多(duo)。以(yi)Ti-6Al-4V 為(wei)例(li)，增材制造材料(liao)(liao)的(de)強度能(neng)夠達(da)到(dao)甚至(zhi)超過(guo)鑄造、鍛造等傳統方法制備的(de)材料(liao)(liao)。以(yi)激光為(wei)熱(re)源的(de)增材制造技術可以(yi)獲得較高(gao)(gao)的(de)強度，而(er)塑(su)性偏低，這(zhe)是由于較高(gao)(gao)冷速(su)形成(cheng)(cheng)的(de) α' 馬氏(shi)體相造成(cheng)(cheng)的(de)；而(er)以(yi)電子束為(wei)熱(re)源所獲得的(de)材料(liao)(liao)具(ju)有α/β 顯(xian)微組(zu)(zu)織，這(zhe)是由于真空環(huan)境(jing)中冷速(su)較慢以(yi)及基板(ban)溫度較高(gao)(gao)造成(cheng)(cheng)的(de)，因此(ci)成(cheng)(cheng)形材料(liao)(liao)強度較低但(dan)塑(su)性提高(gao)(gao)。電弧(hu)熔絲成(cheng)(cheng)形的(de)鈦合(he)金顯(xian)微組(zu)(zu)織與(yu)鑄造材料(liao)(liao)相似，但(dan)相對細小，其強度與(yu)電子束成(cheng)(cheng)形材料(liao)(liao)相當，塑(su)性稍高(gao)(gao)

[28]。

由于 β 柱狀晶是(shi)所有(you)增材制造(zao) Ti-6Al-4V 合金的(de)(de)典型組(zu)織，材料(liao)顯微(wei)組(zu)織各向(xiang)異性與晶體學(xue)織構(gou)對力學(xue)性能(neng)的(de)(de)影響成為一個熱點問題，但(dan)目前學(xue)界尚未有(you)統一的(de)(de)結(jie)論(lun)。有(you)報(bao)道顯示，在(zai)(zai)熱流的(de)(de)作用(yong)下，β 晶粒(li)沿著 <100> 方(fang)向(xiang)生長，在(zai)(zai)隨后的(de)(de)相(xiang)轉(zhuan)變過程中 α相(xiang)遵循伯格斯矢(shi)量關(guan)系繼承了(le) β 相(xiang)織構(gou)[29]。然而，也有(you)報(bao)道顯示增材制造(zao) Ti-6Al-4V中的(de)(de) α相(xiang)不存在(zai)(zai)明顯的(de)(de)晶體學(xue)織構(gou)[25，30]。力學(xue)性能(neng)顯示，相(xiang)比于 XY方(fang)向(xiang)，材料(liao)在(zai)(zai) Z 方(fang)向(xiang)的(de)(de)強度較低而塑性較高[25，31]，這被認為是(shi) β 柱狀晶之間與 Z 方(fang)向(xiang)平行的(de)(de)粗大 α晶界造(zao)成的(de)(de)。

三、增材制造鈦合金的認證與標準

在對可靠性要求極(ji)高的航空制造業中，成形工(gong)藝(yi)(yi)與零件(jian)質量(liang)的認(ren)證是(shi)必須要解決的問(wen)題(ti)。圍繞著增材制造的認(ren)證過程有設計、材料(liao)、工(gong)藝(yi)(yi)、檢測(ce) 4 個環(huan)節，針(zhen)對每個環(huan)節中的各 項內(nei)容建立標準是(shi)增材制造零件(jian)質量(liang)控(kong)制的關鍵（圖(tu) 8）。最(zui)終的目標是(shi)固化成形工(gong)藝(yi)(yi)，并(bing)且材料(liao)性能(neng)穩定(ding)地達(da)到設計許(xu)用值。

美(mei)國國家標準局發布的(de)(de)(de)(de)(de)金(jin)屬材(cai)(cai)料(liao)(liao)增材(cai)(cai)制造(zao)路線圖重(zhong)點強調了質(zhi)量(liang)控(kong)(kong)制，其中(zhong)包括(kuo)標準與(yu)(yu)(yu)規范、數據測量(liang)與(yu)(yu)(yu)監(jian)測、材(cai)(cai)料(liao)(liao)性能全(quan)面表(biao)征(zheng)、設(she)計與(yu)(yu)(yu)制造(zao)過(guo)(guo)程模(mo)擬(ni)系(xi)統、過(guo)(guo)程閉環控(kong)(kong)制系(xi)統[32]。對(dui)(dui)此，業界(jie)已經通過(guo)(guo)增材(cai)(cai)制造(zao)過(guo)(guo)程的(de)(de)(de)(de)(de)詳(xiang)細記(ji)錄與(yu)(yu)(yu)參數分析開展了卓有(you)成(cheng)(cheng)效的(de)(de)(de)(de)(de)工作(zuo)。例如(ru)(ru)，對(dui)(dui)成(cheng)(cheng)形(xing)過(guo)(guo)程中(zhong)參數變化的(de)(de)(de)(de)(de)傅里葉分析可以作(zuo)為判(pan)定(ding)成(cheng)(cheng)形(xing)零件質(zhi)量(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)依據[33]。此 外(wai)，可采用光(guang)學或紅外(wai)照相的(de)(de)(de)(de)(de)方式實時記(ji)錄每一層材(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)成(cheng)(cheng)形(xing)質(zhi)量(liang)，并將這(zhe)些照片與(yu)(yu)(yu)參數日志結合后作(zuo)為成(cheng)(cheng)形(xing)過(guo)(guo)程數值模(mo)擬(ni)的(de)(de)(de)(de)(de)邊界(jie)條件[34]，進而預測缺陷形(xing)成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)趨勢和顯微組織(zhi) 的(de)(de)(de)(de)(de)各(ge)向異性，再通過(guo)(guo)成(cheng)(cheng)形(xing)材(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)試驗表(biao)征(zheng)（如(ru)(ru) x 射(she)線，中(zhong)子(zi)等(deng)）進行模(mo)型(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)驗證與(yu)(yu)(yu)完善[34-35]。同時，這(zhe)些模(mo)型(xing)(xing)也可用來進行成(cheng)(cheng)形(xing)過(guo)(guo)程中(zhong)溫度(du)梯度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)設(she)計與(yu)(yu)(yu)固液界(jie)面移動速率的(de)(de)(de)(de)(de)控(kong)(kong)制，進而實現材(cai)(cai)料(liao)(liao)顯微組織(zhi)的(de)(de)(de)(de)(de)調控(kong)(kong)。

美國 AMS 4999A《退火 Ti-6Al-4V 鈦(tai)(tai)合(he)金直(zhi)接(jie)沉積(ji)(ji)制(zhi)品》標(biao)準規(gui)定(ding)(ding)了(le)(le)(le)原材(cai)(cai)料、前(qian)處(chu)理、制(zhi)造(zao)(zao)(zao)工藝(yi)、后(hou)處(chu)理、檢(jian)(jian)(jian)驗(yan)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)要(yao)(yao)(yao)求及(ji)方(fang)法等相(xiang)關內容，適用于(yu)直(zhi)接(jie)能(neng)量沉積(ji)(ji) Ti-6Al-4V 零件(jian)的(de)驗(yan)收。其他(ta)增(zeng)材(cai)(cai)制(zhi)造(zao)(zao)(zao)鈦(tai)(tai)合(he)金相(xiang)關標(biao)準，如 AMS 7002《航(hang)空航(hang)天產品用激光粉(fen)末(mo)床(chuang)(chuang)增(zeng)材(cai)(cai)制(zhi)造(zao)(zao)(zao)粉(fen)末(mo)生產工藝(yi)要(yao)(yao)(yao)求》、AMS 7003《激光粉(fen)末(mo)床(chuang)(chuang)熔(rong)化工藝(yi)》、AMS 7004《在(zai)(zai) Ti- 6Al-4V 去應力(li)基(ji)板上的(de)高(gao)沉積(ji)(ji)速率增(zeng)材(cai)(cai)制(zhi)造(zao)(zao)(zao)鈦(tai)(tai)合(he)金預制(zhi)體》尚在(zai)(zai)制(zhi)定(ding)(ding)中(zhong)。2009 年美國材(cai)(cai)料與(yu)試驗(yan)協會(hui)(hui)ASTM 組建了(le)(le)(le) F42 增(zeng)材(cai)(cai)制(zhi)造(zao)(zao)(zao)技術(shu)委(wei)(wei)員(yuan)會(hui)(hui)，下設 8 個分(fen)委(wei)(wei)會(hui)(hui)，主要(yao)(yao)(yao)由 F42 01 檢(jian)(jian)(jian)測(ce)方(fang)法、F42 04 設計、F42 05 材(cai)(cai)料與(yu)工藝(yi)以及(ji) F42 91 術(shu)語等 4 個分(fen)委(wei)(wei)會(hui)(hui)起草發布。目前(qian)，F42 05 主要(yao)(yao)(yao)針(zhen)對(dui)粉(fen)末(mo)床(chuang)(chuang)熔(rong)化技術(shu)的(de)鈦(tai)(tai)合(he)金、鎳(nie)基(ji)合(he)金開展(zhan)了(le)(le)(le)相(xiang)應的(de)標(biao)準制(zhi)定(ding)(ding)，在(zai)(zai)標(biao)準中(zhong)規(gui)定(ding)(ding)了(le)(le)(le)相(xiang)關工藝(yi)的(de)原材(cai)(cai)料要(yao)(yao)(yao)求、前(qian)處(chu)理、制(zhi)造(zao)(zao)(zao)過程中(zhong)質量控制(zhi)、后(hou)處(chu)理、檢(jian)(jian)(jian)驗(yan)檢(jian)(jian)(jian)測(ce)要(yao)(yao)(yao)求及(ji)方(fang)法等方(fang)面的(de)要(yao)(yao)(yao)求，適用于(yu)粉(fen)末(mo)床(chuang)(chuang)熔(rong)化制(zhi)件(jian)的(de)驗(yan)收。ISO于(yu) 2011 年也成立(li)了(le)(le)(le)針(zhen)對(dui)增(zeng)材(cai)(cai)制(zhi)造(zao)(zao)(zao)的(de)標(biao)準化技術(shu)委(wei)(wei)員(yuan)會(hui)(hui) TC261 ，隨后(hou)與(yu) ASTM F42 聯合(he)發布了(le)(le)(le) 3 份 ISO/ASTM 標(biao)準，分(fen)別從術(shu)語定(ding)(ding)義、坐標(biao)系(xi)定(ding)(ding)義、增(zeng)材(cai)(cai)制(zhi)造(zao)(zao)(zao)數據格式等方(fang)面進行了(le)(le)(le)規(gui)范。

AMS 4999A 規(gui)定(ding)直接沉積(ji)(ji)產品的(de)退火(huo)(huo)溫(wen)度(du)為 900~925℃，而變形(xing)產品一(yi)般采(cai)用 700~790℃的(de)普通(tong)退火(huo)(huo)制(zhi)度(du)。標準增加了(le)沉積(ji)(ji)工藝過程中(zhong)制(zhi)件的(de)去應(ying)力退火(huo)(huo)制(zhi)度(du)及要求，反映 了(le)在控制(zhi)殘余應(ying)力、減少變形(xing)方面的(de)工作進展。此(ci)外，該標準規(gui)定(ding)了(le)沉積(ji)(ji)材料的(de)顯(xian)微組(zu)織為 β 相(xiang)基體上分布針(zhen)狀 α相(xiang)，并且允許(xu)柱狀晶的(de)存在。

在力學性能(neng)方(fang)(fang)(fang)面，標(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)(zhun)考慮了(le)(le)(le)材(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)各向(xiang)異性，抗拉(la)強度 / 屈(qu)服強度 / 延伸率分別為 889MPa/799MPa/6%（XY向(xiang)）, 861MPa/765MPa/5% （Z 向(xiang)）。對于沉(chen)積產品的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)內部(bu)質量(liang)，標(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)(zhun)規(gui)(gui)(gui)定(ding)了(le)(le)(le)不允許使(shi)(shi)用(yong)有(you)害的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)外(wai)來材(cai)(cai)料(liao)(liao)，以及對孔(kong)洞等(deng)(deng)缺陷(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)限制(zhi)(zhi)，并且增(zeng)加(jia)了(le)(le)(le)AMS2631《鈦和(he)鈦合金棒材(cai)(cai)和(he)坯料(liao)(liao)超聲波檢查》與(yu)(yu)(yu) ASTM E 1742《射線檢查》的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)要(yao)(yao)求。AMS 4999A 中(zhong)還給出了(le)(le)(le)工(gong)藝(yi)和(he)供(gong)應(ying)商批(pi)(pi)準(zhun)(zhun)(zhun)(zhun)、沉(chen)積參(can)數批(pi)(pi)準(zhun)(zhun)(zhun)(zhun)、沉(chen)積 / 幾(ji)何參(can)數批(pi)(pi)準(zhun)(zhun)(zhun)(zhun)、制(zhi)(zhi)造大(da)綱批(pi)(pi)準(zhun)(zhun)(zhun)(zhun)和(he)生產工(gong)藝(yi)固化等(deng)(deng)控制(zhi)(zhi)要(yao)(yao)求，為直接沉(chen)積技術(shu)在我國飛(fei)機產品上(shang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)應(ying)用(yong)提(ti)供(gong)了(le)(le)(le)重要(yao)(yao)依據。另一項標(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)(zhun) ASTM F2924《粉(fen)(fen)(fen)(fen)末床(chuang)熔化增(zeng)材(cai)(cai)制(zhi)(zhi)造 Ti-6Al-4V 標(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)(zhun)規(gui)(gui)(gui)范》允許使(shi)(shi)用(yong)返回(hui)粉(fen)(fen)(fen)(fen)并規(gui)(gui)(gui)定(ding)了(le)(le)(le)返回(hui)粉(fen)(fen)(fen)(fen)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)篩選(xuan)和(he)檢查方(fang)(fang)(fang)法、返回(hui)粉(fen)(fen)(fen)(fen)與(yu)(yu)(yu)新粉(fen)(fen)(fen)(fen)混(hun)合的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)比(bi)例、返回(hui)粉(fen)(fen)(fen)(fen)使(shi)(shi)用(yong)次數等(deng)(deng)技術(shu)要(yao)(yao)求。顯微組(zu)織應(ying)當是 α相和(he) β相組(zu)成(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)兩(liang)相組(zu)織，其(qi)中(zhong) α相可(ke)以是針狀(zhuang)(zhuang)、片層狀(zhuang)(zhuang)、等(deng)(deng)軸狀(zhuang)(zhuang)、網籃(lan)狀(zhuang)(zhuang)，允許 β 柱狀(zhuang)(zhuang)晶(jing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)存在以及初生 β 晶(jing)界上(shang)有(you)連(lian)續的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de) α相。標(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)(zhun)要(yao)(yao)求 XY 向(xiang)與(yu)(yu)(yu) Z 向(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)拉(la)伸性能(neng)要(yao)(yao)同時達到895MPa/825MPa/10%，與(yu)(yu)(yu) Ti-6Al-4V鍛(duan)件相當。此(ci)外(wai)，ASTM F2924 還對制(zhi)(zhi)造大(da)綱提(ti)出了(le)(le)(le)要(yao)(yao)求，包括了(le)(le)(le)設備、制(zhi)(zhi)造控制(zhi)(zhi)系(xi)統、認證所需試樣數量(liang)、取樣方(fang)(fang)(fang)法、填充材(cai)(cai)料(liao)(liao)、成(cheng)形腔(qiang)環境、熱(re)處理工(gong)藝(yi)等(deng)(deng)多項內容。需要(yao)(yao)補充的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)是，粉(fen)(fen)(fen)(fen)床(chuang)熔化增(zeng)材(cai)(cai)制(zhi)(zhi)造低(di)間隙元素Ti-6Al-4V 的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)標(biao)準(zhun)(zhun)(zhun)(zhun)為 ASTM F3001，其(qi)內容與(yu)(yu)(yu) ASTM F2924 相似。

四、增材制造鈦合金零件的成本分析

增(zeng)材(cai)(cai)制造的(de)成(cheng)(cheng)(cheng)本(ben)(ben)(ben)(ben)包(bao)括設(she)備(bei)、材(cai)(cai)料、工(gong)(gong)時(shi)、能耗、勞(lao)動力(li)(li)與(yu)管理成(cheng)(cheng)(cheng)本(ben)(ben)(ben)(ben)等。基于(yu)直接能量沉積(ji)(ji)技(ji)術(shu)的(de)增(zeng)材(cai)(cai)制造成(cheng)(cheng)(cheng)本(ben)(ben)(ben)(ben)中（以激(ji)光熔(rong)粉沉積(ji)(ji)為例），原材(cai)(cai)料成(cheng)(cheng)(cheng)本(ben)(ben)(ben)(ben)占 10%，工(gong)(gong)程設(she)計占 18%，工(gong)(gong)藝占 42%，后續加工(gong)(gong)占 20%，其他（如檢(jian)測）占 10%。基于(yu)粉末床熔(rong)化的(de)技(ji)術(shu)中，每一(yi)(yi)爐(lu)(lu)次零(ling)件(jian)總(zong)體積(ji)(ji)相對(dui)于(yu)成(cheng)(cheng)(cheng)形(xing)腔的(de)尺(chi)寸決定了單個(ge)零(ling)件(jian)成(cheng)(cheng)(cheng)形(xing)時(shi)間和成(cheng)(cheng)(cheng)本(ben)(ben)(ben)(ben)。這(zhe)是因為整個(ge)成(cheng)(cheng)(cheng)形(xing)腔都會被(bei)粉末填充，零(ling)件(jian)所占體積(ji)(ji)分數越(yue)大，每一(yi)(yi)爐(lu)(lu)次粉末的(de)利用率就(jiu)越(yue)高。有兩種(zhong)較為常見的(de)增(zeng)材(cai)(cai)制造成(cheng)(cheng)(cheng)本(ben)(ben)(ben)(ben)模型[36]，一(yi)(yi)種(zhong)由 Hopkinson等 提(ti) 出(chu)，另 一(yi)(yi) 種(zhong) 由 Ruffo 等 提(ti) 出(chu)。Hopkinson 模型假設(she)在 1 年(nian)(nian)內(nei)設(she)備(bei)只生產(chan)(chan)一(yi)(yi)種(zhong)零(ling)件(jian)，使(shi)用最大的(de)成(cheng)(cheng)(cheng)形(xing)腔體積(ji)(ji)，并且(qie)設(she)備(bei)工(gong)(gong)作 90% 的(de)時(shi)間。單個(ge)零(ling)件(jian)的(de)成(cheng)(cheng)(cheng)本(ben)(ben)(ben)(ben) = 全年(nian)(nian)總(zong)成(cheng)(cheng)(cheng)本(ben)(ben)(ben)(ben) / 零(ling)件(jian)年(nian)(nian)產(chan)(chan)量，其中總(zong)成(cheng)(cheng)(cheng)本(ben)(ben)(ben)(ben)包(bao)含了設(she)備(bei)成(cheng)(cheng)(cheng)本(ben)(ben)(ben)(ben)（8 年(nian)(nian)折舊）、勞(lao)動力(li)(li)成(cheng)(cheng)(cheng)本(ben)(ben)(ben)(ben)、材(cai)(cai)料成(cheng)(cheng)(cheng)本(ben)(ben)(ben)(ben)。

Ruffo 模型(xing)考(kao)慮了每(mei)爐(lu)次(ci)零(ling)件(jian)(jian)所占成(cheng)(cheng)(cheng)形(xing)(xing)腔的(de)體積(ji)比(bi)等更詳細的(de)因素，因此(ci)(ci)更接近(jin)于實際成(cheng)(cheng)(cheng)本(ben)。在這個模型(xing)中(zhong)，單(dan)(dan)(dan)個零(ling)件(jian)(jian)的(de)成(cheng)(cheng)(cheng)本(ben) = 單(dan)(dan)(dan)個爐(lu)次(ci)的(de)成(cheng)(cheng)(cheng)本(ben) /單(dan)(dan)(dan)個爐(lu)次(ci)中(zhong)零(ling)件(jian)(jian)的(de)數(shu)量，其(qi)中(zhong)單(dan)(dan)(dan)個爐(lu)次(ci)的(de)成(cheng)(cheng)(cheng)本(ben)包括了材料成(cheng)(cheng)(cheng)本(ben)、設備(bei)工時費、勞(lao)動力成(cheng)(cheng)(cheng)本(ben)、管理(li)成(cheng)(cheng)(cheng)本(ben)、廠房折舊費等。如果單(dan)(dan)(dan)個爐(lu)次(ci)內含有不同尺(chi)寸的(de)零(ling)件(jian)(jian)，單(dan)(dan)(dan)個零(ling)件(jian)(jian)成(cheng)(cheng)(cheng)本(ben) = 此(ci)(ci)零(ling)件(jian)(jian)所占成(cheng)(cheng)(cheng)形(xing)(xing)腔體積(ji)分數(shu) × 單(dan)(dan)(dan)個爐(lu)次(ci)的(de)成(cheng)(cheng)(cheng)本(ben)。

選擇最合(he)適的制造方法是(shi)降低航(hang)空零(ling)(ling)件(jian)(jian)成(cheng)本的關鍵。增材(cai)(cai)制造適用于多品種、小批(pi)量(liang)、復雜形狀零(ling)(ling)件(jian)(jian)的生產(chan)，這其中(zhong)包括了(le)研制階段不斷迭代優化(hua)中(zhong)的零(ling)(ling)件(jian)(jian)。由于不需要模具，增材(cai)(cai)制造鈦(tai)合(he)金零(ling)(ling)件(jian)(jian)的成(cheng)本相比鑄造和鍛造方法明顯(xian)下降，另外(wai)，生產(chan)周(zhou)期(qi)也大幅度縮短(duan)。這些因素(su)都使(shi)增材(cai)(cai)制造成(cheng)為精益生產(chan)的有(you)效工具。然而，當產(chan)品的批(pi)量(liang)增加時，增材(cai)(cai)制造的成(cheng)本優勢逐漸下降。Atzeni等[37] 比較了(le)采用壓力(li)鑄造方法與激光(guang)選區熔化(hua)方法制造起落架零(ling)(ling)件(jian)(jian)的成(cheng)本，當批(pi)量(liang)大于 42 件(jian)(jian)時，壓力(li)鑄造的成(cheng)本變得比激光(guang)選區熔化(hua)更低。

除了批量(liang)(liang)以外，零(ling)(ling)件(jian)(jian)(jian)的(de)(de)復(fu)雜(za)程度也(ye)是影(ying)(ying)響增(zeng)(zeng)材(cai)(cai)(cai)制(zhi)造(zao)成(cheng)(cheng)(cheng)本的(de)(de)關鍵因素。由(you)于鈦(tai)(tai)合(he)金(jin)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)成(cheng)(cheng)(cheng)本高，加工(gong)難度大(da)，提高零(ling)(ling)件(jian)(jian)(jian)的(de)(de)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)利(li)用(yong)(yong)率可大(da)幅降低(di)零(ling)(ling)件(jian)(jian)(jian)的(de)(de)制(zhi)造(zao)成(cheng)(cheng)(cheng)本。Allen[38] 比(bi)較(jiao)了采(cai)用(yong)(yong)增(zeng)(zeng)材(cai)(cai)(cai)制(zhi)造(zao)法(fa)(fa)與鍛件(jian)(jian)(jian)機械加工(gong)法(fa)(fa)制(zhi)造(zao)飛機發動(dong)機某(mou)鈦(tai)(tai)合(he)金(jin)零(ling)(ling)件(jian)(jian)(jian)的(de)(de)成(cheng)(cheng)(cheng)本，發現(xian)當(dang)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)利(li)用(yong)(yong)率小于 8.3%（buy-to-fly ratio 12∶1）時，增(zeng)(zeng)材(cai)(cai)(cai)制(zhi)造(zao)具有(you)成(cheng)(cheng)(cheng)本優勢。另一個例子(zi)是 F-35 Ti-6Al-4V 合(he)金(jin)空氣泄(xie)漏檢測支架(jia)，如采(cai)用(yong)(yong)鍛件(jian)(jian)(jian)機加工(gong)的(de)(de)方法(fa)(fa)，其材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)利(li)用(yong)(yong)率僅有(you) 3.3%，零(ling)(ling)件(jian)(jian)(jian)成(cheng)(cheng)(cheng)本為(wei) 1000 美元/ 磅(bang)；而 EBM 支架(jia)的(de)(de)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)利(li)用(yong)(yong)率接(jie)近(jin) 100%，零(ling)(ling)件(jian)(jian)(jian)成(cheng)(cheng)(cheng)本下降 50% [16]。基于直(zhi)(zhi)接(jie)能量(liang)(liang)沉積的(de)(de)激光熔(rong)粉、電子(zi)束熔(rong)絲(si)、電弧熔(rong)絲(si)等方法(fa)(fa)還可進行零(ling)(ling)件(jian)(jian)(jian)的(de)(de)修復(fu)與再制(zhi)造(zao)。據統計，采(cai)用(yong)(yong)這些(xie)方法(fa)(fa)修復(fu)破損的(de)(de)鈦(tai)(tai)合(he)金(jin)框、梁(liang)、葉片、機匣(xia)、起落架(jia)比(bi)更(geng)換(huan)新零(ling)(ling)件(jian)(jian)(jian)的(de)(de)成(cheng)(cheng)(cheng)本降低(di) 20%~40%。此(ci)外，采(cai)用(yong)(yong)直(zhi)(zhi)接(jie)能量(liang)(liang)沉積技術修復(fu)傳統方法(fa)(fa)制(zhi)備過(guo)程中的(de)(de)殘(can)次品件(jian)(jian)(jian)也(ye)是目前研究的(de)(de)熱點(dian)，這會對航空鈦(tai)(tai)合(he)金(jin)產(chan)業鏈產(chan)生深遠的(de)(de)影(ying)(ying)響。

設備的穩定性也與成本相關。

在增材制造(zao)設備的(de)(de)(de)工作(zuo)過(guo)程(cheng)中，成(cheng)(cheng)形失敗時(shi)(shi)有(you)發生(sheng)，這可能是由于(yu)硬(ying)件、操作(zuo)、零件（支撐）設計等原(yuan)因造(zao)成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)。對于(yu)粉(fen)末床熔化技(ji)術來說，這意(yi)味(wei)著必(bi)須清理設備后(hou)重(zhong)新制造(zao)零件，造(zao)成(cheng)(cheng)大量成(cheng)(cheng)本和時(shi)(shi)間的(de)(de)(de)浪(lang)費。增材制造(zao)設備廠(chang)商與用戶(hu)應當共同探討(tao)提高成(cheng)(cheng)功(gong)率的(de)(de)(de)方(fang)案，以(yi)及(ji)怎樣避(bi)免人為操作(zuo)失誤。此(ci)外，建立可靠模型進行成(cheng)(cheng)形過(guo)程(cheng)的(de)(de)(de)數值模擬也可幫助用戶(hu)確(que)定最佳(jia)的(de)(de)(de)零件放置方(fang)向(xiang)以(yi)及(ji)支撐設計方(fang)案，提高成(cheng)(cheng)功(gong)率。

隨著增材(cai)制(zhi)造(zao)(zao)(zao)產業的(de)(de)(de)(de)規(gui)模化(hua)以及各(ge)類專利的(de)(de)(de)(de)過(guo)期(qi)，設備(bei)價格（通常為(wei) 50~100 萬美元(yuan)）以及粉(fen)末(mo)、絲材(cai)的(de)(de)(de)(de)價格會(hui)逐漸下降，會(hui)有(you)更(geng)多(duo)的(de)(de)(de)(de)設備(bei)制(zhi)造(zao)(zao)(zao)商與(yu)原材(cai)料供應商進(jin)入市(shi)場(chang)，形(xing) 成一個良性循環。除了采用球形(xing)粉(fen)末(mo)以外，近年來已有(you)采用低成本的(de)(de)(de)(de)非球形(xing)粉(fen)末(mo)（如氫化(hua) - 脫氫粉(fen)末(mo)、海綿鈦等）實(shi)現增材(cai)制(zhi)造(zao)(zao)(zao)的(de)(de)(de)(de)實(shi)例[39]。另外，零件(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)制(zhi)造(zao)(zao)(zao)成本也會(hui)隨著技術的(de)(de)(de)(de)進(jin)步而下降，增加(jia)設備(bei)熱源(yuan)數量(liang)或提高熱源(yuan)功率(lv)可(ke)在單位時間內熔化(hua)更(geng)多(duo)的(de)(de)(de)(de)材(cai)料，提高零件(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)制(zhi)造(zao)(zao)(zao)效率(lv)。

五、結論

增(zeng)材制(zhi)(zhi)造(zao)技術在(zai)過(guo)去的(de) 10 年里獲得了(le)飛速發(fa)(fa)展，未來必將(jiang)成為(wei)(wei)(wei)航空鈦合金結構的(de)主要制(zhi)(zhi)造(zao)方(fang)法之一。直接能量(liang)沉(chen)積技術將(jiang)在(zai)大型(xing)零件研制(zhi)(zhi)階段繼(ji)續發(fa)(fa)揮“快速原型(xing)制(zhi)(zhi)造(zao)”的(de) 重(zhong)要作用(yong)，并在(zai)修復(fu)領域(yu)大有(you)作為(wei)(wei)(wei)；粉末(mo)床熔化技術顛覆了(le)零件設計與(yu)制(zhi)(zhi)造(zao)的(de)傳統理(li)念，將(jiang)“為(wei)(wei)(wei)了(le)制(zhi)(zhi)造(zao)而(er)設計”轉變為(wei)(wei)(wei)“為(wei)(wei)(wei)了(le)功能而(er)設計”，引領復(fu)雜精(jing)密零件的(de)研制(zhi)(zhi)與(yu)生(sheng)產。

然(ran)而(er)，基(ji)(ji)(ji)礎(chu)研究的(de)相(xiang)對滯后阻礙了(le)增(zeng)材制造(zao)在航空領域的(de)進一步發(fa)展。這(zhe)些基(ji)(ji)(ji)礎(chu)研究既(ji)包括物理、化學(xue)、冶(ye)金等科學(xue)問題，也包括缺(que)(que)陷、變形、開裂等工程問題。在高溫度梯度、超(chao)快冷(leng)速條件(jian)下，逐層堆(dui)積的(de)工藝形成了(le)隨(sui)機的(de)缺(que)(que)陷和特殊(shu)的(de)組織(zhi)，零件(jian)不同部(bu)位的(de)性(xing)能(neng)尚有差異。目前(qian)還難以(yi)準確表(biao)征和模擬(ni)增(zeng)材制造(zao)過程，這(zhe)給零件(jian)的(de)認證造(zao)成了(le)困難，而(er)材料基(ji)(ji)(ji)因組工程將會是成分—工藝—組織(zhi)—性(xing)能(neng)建模的(de)一個(ge)突破點。另(ling)外，微小缺(que)(que)陷（≤ 0.8mm）的(de)無損(sun)檢測以(yi)及建立基(ji)(ji)(ji)于缺(que)(que)陷尺(chi)寸、數量(liang)、分布對動態力(li)學(xue)性(xing)能(neng)影響的(de)設計(ji)準則(ze)是增(zeng)材制造(zao)鈦合(he)金在飛(fei)機與發(fa)動機關鍵承力(li)結構中(zhong)應用(yong)的(de)前(qian)提。

展望增(zeng)材(cai)制造(zao)(zao)技(ji)術(shu)的(de)未(wei)來(lai)，機(ji)遇與挑戰并存。隨著技(ji)術(shu)的(de)成(cheng)熟與成(cheng)本的(de)下降，以及與結構優化設計(ji)的(de)深度(du)融合，鈦合金增(zeng)材(cai)制造(zao)(zao)必(bi)將迎來(lai)更加(jia)廣闊的(de)發展空間。

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通 訊 作 者：陳 瑋，E-mail ：werner_nju@163.com。