鈦合金具有高比強度、比剛度和良好的耐腐蝕性能，是大型民用客機不可或缺的結(jié)構(gòu)材料之一 [1] ，其中雙相TC4合金是鈦合金中應用最為廣泛的合金體系，在民機制造中發(fā)揮著重大作用 [2-3] 。增材制造作為21世紀發(fā)展最為迅速的技術(shù)之一，其無需模具、高效快速的技術(shù)優(yōu)勢，在民用航空等多個領(lǐng)域獲得了迅猛的發(fā)展 [4-7] 。而選區(qū)激光熔化Selective Laser Melting，SLM）成形鈦合金在制備輕量化、結(jié)構(gòu)功能一體化復雜精密構(gòu)件中優(yōu)勢顯著 [8-10] ，在大型民用客機的機體結(jié)構(gòu)、航空發(fā)動機和機載系統(tǒng)中得到了大量的實踐應用。

鈦合金粉末是選區(qū)激光熔化成形鈦合金構(gòu)件的基礎，其理化特性影響著增材制造制件的性能 [11] 。 尤其在民用航空領(lǐng)域?qū)︹伜辖饦?gòu)件性能高穩(wěn)定性和高可靠性的要求下，對于所使用的鈦合金粉末材料的理化特性、質(zhì)量控制以及使用過程必然會提出更高、更嚴的要求。對鈦合金粉末的制造、處理、檢測評價和使用過程的全流程管控，建立評價標準，有助于進一步推動選區(qū)激光熔化鈦合金在民機領(lǐng)域的應用 [12] 。其次，民機研制中對增材制造多元金屬材料、多種服役零件的需求逐漸增大，增材制造在民機領(lǐng)域的快速發(fā)展帶動了球形金屬粉末日益增加的需求 [13-14] ，因此高效制備高品質(zhì)增材制造專用粉末成為突破增材制造民機領(lǐng)域應用，實現(xiàn)產(chǎn)能升級的關(guān)鍵之一 [15] 。

綜述以民機領(lǐng)域增材制造用適航級鈦合金粉末材料為對象，對粉末的制備工藝、理化性能檢測及評價指標進行梳理分析，并闡述了增材制造鈦合金粉末的適航符合性研究進展，重點介紹了民機領(lǐng)域中關(guān)注的粉末原材料質(zhì)量控制要求與重復利用研究進展，列舉了目前已經(jīng)實現(xiàn)民機領(lǐng)域應用的案例，并提出制約增材制造金屬粉末材料在民機進一步批產(chǎn)應用的瓶頸和挑戰(zhàn)。

1、民用航空增材制造用鈦合金粉末的制備與發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 鈦合金粉末制備技術(shù)原理與發(fā)展現(xiàn)狀

粉末原材料作為民機增材制造零件的最小單元，是實現(xiàn)民機鈦合金零件高質(zhì)量和高穩(wěn)定性的前提，其品質(zhì)和批次穩(wěn)定性直接決定著增材制造產(chǎn)品能否滿足適航認證的要求，粉末原材料也是增材制造在適航認證過程中不可或缺的一環(huán)。目前鈦合金粉末制備的工藝主要有電極感應熔煉氣霧化（Electrode Induction Melting Gas Atomization，EIGA）技術(shù)、等離子霧化（Plasma Atomization，PA）和等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化（Plasma Rotating ElectrodeProcess，PREP）三種。三種粉末制備工藝的原理以及特點如圖1和表1所示。圖2為利用上述三種工藝制備的粉末形貌。

鈦合金粉末是 3D打印適航認證的重要基礎，其成分、品質(zhì)和批次穩(wěn)定性直接決定著3D打印產(chǎn)品能否滿足適航要求。等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化（PREP）細粉收得率低，因此該工藝制備的粉末主要適用于LMD工藝。而目前國際適航級高品質(zhì)主流鈦合金粉末均采用電極感應熔煉氣霧化（EIGA）和等離子霧化（PA）技術(shù)制備。

目前，國外在鈦合金粉末制備技術(shù)以及質(zhì)量控制上處于領(lǐng)跑地位，其中美國GE公司在2016年收購了AP&C公司，采用的PA工藝制備的鈦合金粉末，能夠?qū)崿F(xiàn)年產(chǎn)鈦合金粉末1 000 t以上，粉末細粉收得率大于70%，粉末球形度好、氧含量低，已成為空客、波音、GE 的 3D 打印原材料指定供應商；美國 Carpenter、Praxair、Hoeganaes 公司、瑞士 Oerlikon 公司、英國LPW technology、瑞典Sandvik公司等均針對增材制造用鈦合金粉末建立了技術(shù)研發(fā)及批量制造能力。

近幾年，國內(nèi)鈦合金粉末的制備廠商在高品質(zhì)鈦合金粉末的制備技術(shù)上也取得了階段性進展，基于EIGA技術(shù)，通過熔煉工藝和高效霧化噴盤設計優(yōu)化，實現(xiàn)鈦合金細粉收得率接近 60%，接近國外先進水平。目前增材制造鈦合金粉末制造商呈現(xiàn)“百花齊放”現(xiàn)象，江蘇威拉里、中天上材、飛而康、金霧、中航邁特等制粉單位陸續(xù)完成制粉關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和裝備優(yōu)化設計，進入大眾視野。

1.2 增材制造用鈦合金粉末的檢測與評價方法

有別于其他形態(tài)的鈦合金原材料，粒徑分布、流動性、顆粒形態(tài)、密度等成為增材制造用鈦合金粉末特有的理化特性 [19] 。這些特有的理化特性影響著增材制造的工藝過程，例如鋪粉質(zhì)量，從而最終影響著增材制造制件的力學性能。因此，正向識別粉末原材料的關(guān)鍵理化特性，建立評價方法和檢測標準，是民用航空增材制造金屬粉末應用過程中關(guān)注的重點之一。

目前針對金屬粉末材料的檢測，也已經(jīng)形成了檢測的方法和標準。其中，流動性作為金屬粉末一項綜合工藝性能指標，對于增材制造工藝尤其是粉末床 SLM 工藝影響顯著，其直接關(guān)乎粉層鋪粉的均勻性以及打印中的實際層厚 [20] 。對激光送粉（Laser Melting Deposition，LMD）工藝 ，粉末的流動性直接影響粉末輸送的流暢度和送粉精度。對于粉末流動性的檢測方法有漏斗法和安息角法 [21] ，GB/T 1482-2010 和 GB/T 11986-1989 分別規(guī)定了上述兩種方法的檢測要求。ASTM 協(xié)會發(fā)布了 ASTM B213《使用霍爾流量計金屬粉末流量的標準試驗方法》，規(guī)定了粉末流動性的檢測方法。

粉末的粒徑分布與流動性相關(guān)聯(lián)，粒徑過小，比表面積增加，粉末容易團聚，降低流動性。粒徑過大，在鋪粉時則會存在較大的顆粒間隙，缺乏粉末填充而造成致密度降低 [22] 。目前用于SLM成形的粉末粒徑建議為0~53 μm，但根據(jù)SLM設備粉末輸送原理的不同，對于上送粉設備，更推薦使用粉末粒徑在15~53 μm。對于金屬粉末的粒徑檢測方法有：篩分法、激光粒度法、動態(tài)顆粒圖像分析法 [23] 。檢測標準有 ASTM B822、GB/T 1480-2012《金屬粉末干篩分法測定粒度》、GB/T 19077-2016 《粒度分布激光衍射法》等。除了流動性與粒徑分布，粉末形貌也影響著粉末的工藝表現(xiàn)與成形性能，從而影響增材制造質(zhì)量的要素之一。如球形度，非球形粉末會導致粉層中未填充區(qū)域增多，從而降低鋪粉密度，并且激光可由非球形顆粒反射而被上部分粉末捕獲，造成下層粉末接收到的激光能量降低。粉末的典型缺陷有“空心粉”[24] 和“衛(wèi)星球”，空心粉是在氣霧化中，粉末液滴在未發(fā)生球化時先凝固，過程中可能由于氣流紊亂，氬氣進入顆粒內(nèi)部，或者由于粉末脫氣不完全，由表面吸附的氬氣形成?？招姆勰┑拇嬖跁е鲁尚渭?nèi)部出現(xiàn)孔隙缺陷，形成裂紋源等。衛(wèi)星球則是在氣體霧化過程中霧化熔滴粒度分散，小熔滴運動速率與凝固速率較快，與液態(tài)/未完全凝固的大熔滴發(fā)生碰撞，隨后熔滴之間發(fā)生熔結(jié)，大熔滴凝固后，形成小顆粒粘結(jié)在大顆粒表面，形成衛(wèi)星球 [25] ，如圖4所示。粉末形貌的檢測方法為顯微鏡法、掃描電鏡 SEM 法以及工業(yè)計算機層析成像（CT）法 [26] 。圖5為TC4鈦合金粉末的理化特性分類以及檢測方法的梳理匯總。

2 、增材制造鈦合金粉末材料的適航符合性研究進展

民機制造中使用的材料和制造方法必須經(jīng)過適航認證，才可以裝機應用 [27] 。在進行民航規(guī)章CCAR25-R5 中材料相關(guān) 603、613 條款 [28] 的符合性中，在開展材料的適航符合性驗證中，材料應符合某種材料規(guī)范，材料規(guī)范保證材料具有設計資料所采用的強度性能和其他性能 [29] 。材料規(guī)范作為型號設計資料的一部分，必須得到適航審查代表的批準 [30] 。增材制造作為近些年來逐漸發(fā)展起來的一項新興工藝技術(shù)，其成形質(zhì)量與穩(wěn)定性受到了來自材料、設備、工藝等多重變異條件的綜合影響，粉末原材料的控制對熔化工藝過程至關(guān)重要。

2.1 面向適航認證的粉末材料規(guī)范建立

國內(nèi)外組織機構(gòu)如NASA、SAE、中國適航審定中心等都明確提出，應對增材制造金屬粉末原材料的質(zhì)量進行控制，其控制要素應至少包括：化學成分、粒徑、流動性以及粉末的形貌等，需通過建立材料規(guī)范實現(xiàn)對原材料的控制。在AMS 7003規(guī)范中，專門設置3.1.6章節(jié)對粉末原料處理和儲存計劃進行規(guī)定。除此之外，控制粉末的制造和使用過程也是實現(xiàn)其質(zhì)量管控的必要手段之一。包括粉末制備工藝、取樣方法、批次的混合控制、清潔度和污染控制、包裝標簽和環(huán)境控制等，均會影響增材制造的成形質(zhì)量，需要通過材料規(guī)范或者工藝文件進行控制。開展基于材料特性以及工藝過程敏感性研究，建立原材料規(guī)范，是增材制造粉末適航認證的第一步。在材料規(guī)范中，應控制原材料成分、微量元素、雜質(zhì)、成分分布的變化和其他相關(guān)特性。其次，對于影響最終零件質(zhì)量的因素，例如流動性、顆粒形狀、粒徑分布（包括粒徑限制）、清潔度以及驗收測試要求也要做出規(guī)定。最后，還應定義批次驗收測試或統(tǒng)計過程控制，以確保材料特性不會隨時間偏移。

TC4雙相鈦合金根據(jù)其材料成分的差異，又可以分為一般TC4合金、TC4 ELI和TC4 DT材料，美國汽車工程師學會 SAE 2022 年發(fā)布了關(guān)于 TC4ELI粉末的標準，與一般鈦合金粉末材料的成分要求相比，對于Al, O和N進行了分級要求，總體要求是，O元素的含量降低，不超過1.3×10 ^-3 ，N含量據(jù)分級的要求規(guī)定不超過 0.05% 或者 0.03%。另外 ，AMS 4905中則規(guī)定了對于損傷容限型鈦合金的要求，對于損傷容限型TC4材料而言，主要是通過收窄Al和V含量，下限提高，保證一定強度，上限降低提高韌性；降低O、N、C元素含量，和提高Fe的含量提高斷裂韌性。

國內(nèi)外民機主制造商以及增材制造供應商，都建立了粉末材料的工藝控制體系，從而實現(xiàn)對增材制造構(gòu)件質(zhì)量的控制。例如，國外某飛機制造商，制 定 了《Titanium alloy Additive Manufactured by powder bed technology Technical Specification》規(guī)范，規(guī)范中對鈦合金粉末原材料理化特性以及質(zhì)量控制進行了詳細的規(guī)定。中國商飛在審定中心局方的指導下，確定了制粉關(guān)鍵工藝參數(shù)、建立制粉工藝控制文件，形成粉末質(zhì)量控制技術(shù)要求，并建立了鈦合金粉末原材料規(guī)范。對制粉棒材、制粉的過程參數(shù)進行全面的管控，例如，棒材的成分、制粉過程氧增、粉末收集灌裝中的鈍化處理環(huán)節(jié)都有助于獲取更加穩(wěn)定、可控可追溯的粉末材料。通過“材料規(guī)范”與“工藝控制文件”控制而制備獲取的鈦合金粉末，完成適航取證，實現(xiàn)型號應用。

2.2 適航級鈦合金粉末重復利用研究進展

增材制造粉末的重復利用一直一來都是民用航空領(lǐng)域的關(guān)注重點之一 [31] 。最大的原因是粉末重復利用能夠帶來可觀的經(jīng)濟效益，其次，粉末重復利用中涉及到激光、熱量的綜合累計作用，而帶來的理化特性和成形性能的改變，有助于業(yè)內(nèi)更好的理解增材制造的多重變異過程。突破粉末重復利用的瓶頸將是實現(xiàn)增材制造金屬在民機領(lǐng)域爆發(fā)式應用的必要條件之一。

NASA 在 MSFC-SPEC-3717 規(guī)范指出，在滿足要求的情況下，允許粉末重復使用。國外有單位提出允許粉末重復利用且不推薦重復利用粉末超過10次?；裟犴f爾公司在開展激光增材制造金屬材料許用值開發(fā)時，將原材料粉末重復利用作為變異性因素納入考量，以實現(xiàn)降低粉末使用的成本。國內(nèi)民機增材制造中，鈦合金粉末重復利用4次也已經(jīng)獲得適航當局的批準。掌握鈦合金粉末在重復利用過程中的“降解行為”的差異性，有助于為粉末的重復利用制定標準規(guī)范。在民機制造中，對增材制造金屬粉末材料的重復利用重點關(guān)注兩個方面：

（1）基于復雜熱歷史下的粉末重復利用中理化特性的演變； （2）建立面向多元復雜應用需求的粉末重復利用機制。

在鈦合金粉末的重復利用過程中，粉末存在一定的特性演變，主要體現(xiàn)在化學成分、粒徑和形貌的變化。隨著粉末重復利用的進行，O、N元素含量增加，Al元素則出現(xiàn)燒損降低的趨勢。圖6和圖7為“極限循環(huán)”和“按比例添加新粉”兩種條件下，SLM成形鈦合金粉末及制件性能的變化趨勢。 “極限循環(huán)條件”下粉末和制件性能的變化更為顯著，也更容易達到粉末的使用極限。通過該研究說明，通過建立合理的粉末重復利用機制，能夠提高粉末的可重復性。回收粉再利用后氧含量增加的現(xiàn)象也在SLM超低間隙TC4中得到了證實 [32] 。在重復利用機制下，SLM成形TC4粉末的其他特性也呈現(xiàn)一定的變化趨勢。其中，粉末顆粒表面僅在使用次數(shù)較多時變得更為粗糙 [33] ，球形度基本無變化。隨著粉末重復利用的推進，小顆粒粉末逐漸熔化凝固，粉末的粒徑增加， “衛(wèi)星粉”逐漸消失 [6] 。

關(guān)于粉末重復利用機制的建立，在 AMS 7031 “Batch Processing Requirements for the Reuse of Used Powder in Additive Manufacturing of Aero‐space Parts”規(guī)范中 [34] ，提出了 5種粉末重復利用的機制，如圖8所示。這五種機制分別是（1）單一粉末批次下，不添加新粉的極限循環(huán)使用機制； （2）每次打印前，將原料與新粉混合后循環(huán)使用； （3）基于設定的打印頻率加滿新粉后混合； （4）相同工藝歷史粉末的混合再利用； （5）相同工藝歷史的粉末與添加的新粉混合再利用。

2.3 適航級增材制造鈦合金粉末質(zhì)量評價

面向適航認證需求的鈦合金粉末，在進行民機型號應用推進過程中，其化學成分、粉末理化特性的批次穩(wěn)定性、粉末制備過程中的質(zhì)量控制是影響增材制造成形性能的關(guān)鍵指標。其中化學成分作為影響成形性能關(guān)鍵，尤其面向當前高強高韌需求的應用背景下，通過成分優(yōu)選和設計有助于推動高強高韌性能的實現(xiàn)。Fuwen Chen [35] 通過研究發(fā)現(xiàn)，提升TC4合金中的Fe含量，實現(xiàn)Fe微合金化后，微量Fe的加入引起了β相中的V和Fe組分的二次分配，促進晶格畸變與振動，其強度、硬度、伸長率與傳統(tǒng)TC4材料接近的同時，其斷裂韌性顯著提升，達到了TC4_ELI相當，甚至優(yōu)于TC4_DT。其次，F(xiàn)e的微合金化還會影響組織從而改善斷裂韌性，其斷裂韌性超過了100 MPa.m ^1/2 。

TC4 粉末理化特性的批次穩(wěn)定性直接影響到增材制造制件的性能穩(wěn)定性。其中對于批次穩(wěn)定性的指標應包括對于流動性、粒徑分布、密度等指標。粉末制備過程中的質(zhì)量控制一方面是為了保證粉末質(zhì)量的批次穩(wěn)定性。另一方面，以建立 TC4 材料許用值為目標，對粉末制備過程中母合金的質(zhì)量控制，是實現(xiàn)增材制造性能服從特定分布，滿足材料許用值計算的必要條件之一。

3、 增材制造鈦合金粉末在民機領(lǐng)域的應用

在國內(nèi)民機領(lǐng)域，增材制造技術(shù)成熟度較高的還是聚焦在選區(qū)激光熔化SLM成形鈦合金上，對適航級鈦合金粉末及增材制造構(gòu)件制備技術(shù)開展了一定的研究工作，逐步實現(xiàn)SLM成形鈦合金靜強度結(jié)構(gòu)件在國產(chǎn)大型客機上的裝機應用。建立靜強度驅(qū)動的零件單件適航認證路徑，SLM成形的支座和彎管實現(xiàn)裝機。據(jù)統(tǒng)計，零件制造成本和板材機加工相當，材料利用率提升50%以上，隨著粉末重復利用技術(shù)的進一步推進，材料利用率還將進一步提升，為今后面向增材制造的結(jié)構(gòu)正向設計、承力件等裝機應用奠定基礎。批產(chǎn)交付中的隨爐試樣測試結(jié)果表明，零件的性能穩(wěn)定，其離散系數(shù)滿足Cv接近1%（部分數(shù)據(jù)），如圖9所示。

在國際上，空客公司作為在民用航空增材制造領(lǐng)域應用的領(lǐng)跑者，在A330、A350民用客機上已實現(xiàn)超過100個圖號增材制造鈦合金構(gòu)件的應用，支架、艙門鉸鏈實現(xiàn)批量裝機應用。美國GE公司近年來收購多家增材制造材料、裝備、服務公司，實現(xiàn)了增材制造在多型主力商用發(fā)動機系統(tǒng)中批量應用。德國利勃海爾公司作為重要的機載系統(tǒng)供應商，針對民機前起落架傳感器支架進行面向3D打印的拓撲優(yōu)化設計和批量打印制造，性能提升的同時實現(xiàn)減重45%以上，如圖10所示。

4、 制約增材制造金屬粉末在民機批產(chǎn)應用的瓶頸和挑戰(zhàn)

選區(qū)激光熔化成形鈦合金構(gòu)件已經(jīng)實現(xiàn)在國產(chǎn)飛機艙門結(jié)構(gòu)中的應用，實現(xiàn)批產(chǎn)交付。在未來更多民機型號、更多零件數(shù)量、不同性能需求的引領(lǐng)下，增材制造金屬粉末在民機領(lǐng)域的應用存在更大的空間，也面臨著更大的應用挑戰(zhàn)。

4.1 材料成分設計實現(xiàn)高強高韌性能調(diào)控

目前民用航空領(lǐng)域使用較為成熟的鈦合金粉末，其 SLM 成形靜力強度滿足飛機上靜強度驅(qū)動的非 PSE 件的設計需求，通過“單件適航”認證的路徑，已經(jīng)成功實現(xiàn)了裝機飛行。但是面向飛機機體結(jié)構(gòu)、機載系統(tǒng)對高強高韌復雜鈦合金等金屬結(jié)構(gòu)件的制造和應用需求 ，建立面向損傷容限設計的零件適航認證需求，利用高通量等方法開展增材制造金屬粉末的成分設計，揭示不同成分元素對金屬構(gòu)件的增強增韌機制，實現(xiàn)性能的精準調(diào)控是金屬粉末應用民機領(lǐng)域的趨勢之一。

4.2 粉末制備過程中的質(zhì)量與缺陷控制技術(shù)

增材制造金屬粉末制備過程也直接影響粉末理化特性和工藝性能。用于SLM成形的粉末粒徑較小，目前制約粉末制備技術(shù)的難題主要有：細粉收得率較低 [38] 、粉末低缺陷制備和評價及批次間的性能穩(wěn)定性控制。因此，通過優(yōu)化霧化制粉過程中的關(guān)鍵參數(shù)，提升粉末制備過程中的熔體過熱度，基于De Laval超音速噴嘴的新型霧化器結(jié)構(gòu)設計等手段是用于提升細粉收得率的有力途徑 [39] 。如何在粉末制備過程中避免/減少缺陷的形成，是實現(xiàn)粉末質(zhì)量和性能提升的重要路徑。通過降低霧化氣體動能的方式可以抑制粉末內(nèi)部孔隙的形成，從而減少空心粉。而在霧化制粉過程中采用外加氣流的方式可避免“衛(wèi)星球”的形成。

4.3 民機領(lǐng)域中增材制造粉末材料的質(zhì)量與成本間的平衡

增材制造成形粉末材料與傳統(tǒng)冷加工工藝不同，粉末的理化特性、增材制造非平衡的工藝過程、不同結(jié)構(gòu)件制造的熱累積、不同設備成形性能的差異性，均為增材制造金屬材料引入了變異性。目前，在民機型號上應用的金屬粉末材料，在進入民機選用材料目錄手冊前，要經(jīng)過大量的批次驗證和合格鑒定來證明其穩(wěn)定性和符合性，在保證增材制造質(zhì)量的同時，不可避免成本居高的現(xiàn)象。因此，應從以下三個方面去解決： （1）加快增材制造基礎技術(shù)攻關(guān)，攻克材料工藝共性技術(shù)； （2）加快建立通用的粉末評價標準，實現(xiàn)不同來源的粉末性能數(shù)據(jù)共享通用； （3）飛機主制造商發(fā)揮供應鏈鏈長的作用，做好供應商培育和管理，與供應商共同努力，建立滿足民機研制需求的增材制造金屬粉末供應鏈。

5、 結(jié)論與展望

綜述了面向適航認證需求的增材制造鈦合金粉末的制備工藝及特點，從鈦合金粉末原材料影響制造性能的特性出發(fā)，介紹了粉末不同理化特性的檢測評價方法?；谶m航級鈦合金粉末在民用航空領(lǐng)域的應用進展，闡述了民機適航認證對于鈦合金粉末的質(zhì)量控制要求，并介紹了鈦合金粉末的重復利用研究進展。面向未來民機型號研制的重大需求，激光增材制造金屬粉末在民機制造領(lǐng)域還存在一定的應用瓶頸和應用挑戰(zhàn)，而開展以性能調(diào)控為導向的粉末成分設計、攻克粉末制備中的質(zhì)量和缺陷穩(wěn)定控制，以及解決粉末質(zhì)量和成本的平衡問題，將是后續(xù)在民用航空領(lǐng)域中研究和發(fā)展的重點方向。

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