钛合金Ti-6Al-4V电子束熔丝增材制造技术获得突破性进展

近日，西安智熔金属打印系统有限公司(西安智熔)宣布在钛合金电子束熔丝增材制造技术方面取得了突破性进展，掌握了实现优良力学性能、尤其是高疲劳性能的打印工艺参数组合，为电子束熔丝金属增材制造技术在大型航空钛合金承力结构件的应用打下了坚实的基础。

2020年底，西安智熔利用其自行研发生产的ZcompleX3型电子束熔丝金属增材制造系统成形的Ti-6Al-4V合金材料，委托中国科学院沈阳金属研究所进行了X射线探伤以及不同方向和应力比条件下的高周疲劳极限测试，测试结果显示，试块内部无X射线可探查的缺陷，试样采用HIP处理及两相区固溶+低温时效的双重热处理工艺后，X和Z两个方向的拉-拉和拉-压高周疲劳极限均高于Ti-6Al-4V棒材技术标准要求，且数据一致性极好。

△ZcompleX3 熔丝式电子束金属打印机

△中国科学院沈阳金属研究所出具的检测报告

电子束熔丝增材制造（EBAM）技术

电子束熔丝增材制造（EBAM）是3D打印领域以电子束作为热源的一项尖端技术，在全球范围内只有美国西亚基公司（Sciaky）、中国西安智熔等少数公司可提供商用产品。

其技术原理如下：在真空环境中，高能量密度的电子束轰击金属表面形成熔池，金属丝材通过送丝装置送入熔池并熔化，同时熔池按照预先规划的路径运动，金属材料逐层凝固堆积，形成致密的冶金结合，直至制造出金属零件或毛坯。

△电子束熔丝增材制造技术原理图

△2017年陕西卫视对西安智熔熔丝式电子束金属3D打印系统的报道

这项技术的特点非常明显，真空环境中打印，有效避免杂质元素混入；成型速度快，材料利用率高，不锈钢熔丝效率最高可达15kg/h，适合大型结构件快速制造；成型工艺一致性好；可进行功能梯度材料增材(FGM)及金属基复合材料增材制造，还可以加工钨、钼、铌、钽等难熔金属。但零件表面精度不高，后期需要使用CNC进行加工。

△西安智熔电子束熔丝打印的金属件，部分进行了CNC机加工

钛合金3D打印是航空航天领域的利器

在航空制造方面，国外钛合金电子束熔丝增材制造技术已经获得成功应用，例如洛马公司F35隐形飞机襟副翼翼梁，垂尾翼后梁，空客飞机上机翼上翼等，该应用不仅节约了成本，还极大的改善了交货期，国内相应应用还处于空白状态。据南极熊了解，Sciaky公司利用电子束增材制造(EBAM)技术，在2020年打印了超过12000磅(5443公斤)的钛。

△洛克希德马丁公司生产F35隐形飞机

钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域，例如钛合金在军用飞机中的用量可达到飞机结构重量的20%～25%，在航空发动机中的用量一般占结构总重量的20%～30%。第一个实用的钛合金是1954年美国研制成功的Ti-6Al-4V，它是钛合金工业中的王牌合金，其它许多钛合金可视为其改型，该合金使用量已占全部钛合金的75%～85%。

钛合金传统加工方法加工难度大，加工周期长，材料利用率低，一些大型结构还具有复杂的形状或特殊规格，用锻造方法难以实现。据统计，我国大型航空钛合金零件的材料利用率很低，平均不超过10 %，模锻、铸造还需要大量的工装模具，由此带来研制成本的上升。通过使用金属增材制造技术生产钛合金零件，可以实现结构的整体化，降低成本和周期，达到快速反应、无模一体制造的目的，可节省材料三分之二以上，数控加工时间减少一半以上，无须模具，能够将研制成本尤其是首件、小批量的研制成本大大降低。

关于西安智熔

西安智熔金属打印系统有限公司是中国少数专注于电子束热源技术路线的金属3D打印技术公司之一，其自行研发生产的熔丝式电子束金属增材制造系统适于高速低成本制造大型金属结构件。在熔丝式电子束金属打印技术领域和粉床式电子束金属打印技术领域，拥有自主知识产权的核心技术，设计生产基于其领先的EBVF3® 技术平台的 Zcomplex® 系列熔丝式电子束金属打印系统以及基于其独有的SmartBeam® 技术平台的ZScan® 系列粉床式电子束金属打印系统。

为了拓展在材料性能要求极高的航空钛合金结构件尤其承受疲劳载荷的结构件制造方面的应用，西安智熔技术团队自2017年以来，进行了大量的钛合金电子束熔丝增材制造技术研究并于2020年底取得了突破性进展。