1、引言
近年來，3D打印技術(shù)成為一種新興制造方式，其基本原理為“分層制造、逐層疊加”[1]。與傳統(tǒng)制造不同，3D打印制造過程是將數(shù)字化信息技術(shù)與制造技術(shù)相融合，根據(jù)任意零件三維模型快速制造任意復(fù)雜形狀3D 物體，無需專用模具，在金屬成形過程中發(fā)揮著不可替代的作用。3D打印的應(yīng)用優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：1) 易用性高；2) 工藝周期短、精度高，實現(xiàn)零件的近凈成形，解決傳統(tǒng)制造開模耗費時間長的問題；3) 成本低。3D打印材料包括金屬材料和高分子材料等，而目前國內(nèi)外金屬材料中鈦合金的3D打印研究與應(yīng)用最為廣泛。為此，本文將綜述3D打印鈦合金鍛件的應(yīng)用領(lǐng)域和近年來國內(nèi)外鈦合金3D打印的研究現(xiàn)狀，并展望未來。
2、金屬 3D打印技術(shù)的概述
3D打印又叫增材制造、快速成型等，其中光固化成型(Stereo Lithography Apparatus, SLA) [2]、疊成實體制造(Laminated Object Manufacturing, LOM) [3]、激光選區(qū)燒結(jié)(Selective Laser Sintering, SLS) [4]和熔融沉積制造(Fused Deposition Modeling, FDM) [5]等技術(shù)較為成熟。近年來，隨著激光選區(qū)熔化(SelectiveLaser Melting, SLM)制造和電子束選區(qū)熔化(Electron Beam Selective Melting, EBSM)制造等金屬直接制造技術(shù)的迅速發(fā)展，定制化功能件的直接制造技術(shù)亦越來越成熟，定制化功能件成型材料、工藝和設(shè)備已成為研究熱點。
選區(qū)激光熔化SLM 是指在氬氣或氮氣保護下用激光束照射金屬粉末，粉末在吸收激光能量之后快速熔化并凝固，以此冶金結(jié)合、致密組織、高精度的金屬功能件，是目前國內(nèi)外研究和生產(chǎn)最常用的3D打印方法[6]。選區(qū)激光熔化原理如圖1(a)所示。選區(qū)激光熔化技術(shù)是一種冷加工工藝，后期需進行熱處理提高制件性能，加工件在加工時需有與所打印材料膨脹率和導熱性相似的材料作為基板[7]。電子束選區(qū)熔化EBSM 是指在真空條件下使電子槍中產(chǎn)生的電子經(jīng)加速、聚集，形成高能量大密度的電子束并轟擊被加工部位粉末，使該部位的粉末熔化與凝固的制件工藝。電子束選區(qū)熔化原理如圖1(b)所示。電子束選區(qū)熔化是一種熱加工工藝，大多數(shù)材料無需熱處理，且加工件可自由脫離加工底板，一般用于加工簡單及小型的零件[8]。
在技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域方面，金屬3D打印近年來在醫(yī)學領(lǐng)域有著快速的發(fā)展，應(yīng)用最多的科室主要集中在牙科和骨科。材料主要以鈦合金、不銹鋼等與人體組織相容性較好的生物材料。直接生產(chǎn)零件更是在3D打印領(lǐng)域飛速發(fā)展，使用金屬粉末SLM 設(shè)備直接制造零件是全世界在3D打印領(lǐng)域最為重視的領(lǐng)域，因其可以加工傳統(tǒng)方法難以加工、甚至無法加工的較為復(fù)雜的零部件，所以在直接生產(chǎn)零件方面更具備無與倫比的優(yōu)越性。
2、鈦合金 3D打印技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域
2.1. 牙科和骨科領(lǐng)域
鈦合金具有耐高溫、高耐腐蝕性、高強度、低密度、生物相容性等優(yōu)點[9] [10] [11]。在用于人體硬組織修復(fù)的金屬材料中，Ti 的彈性模量與人體硬組織最接近，約80~110 GPa，這可減輕金屬種植體與骨組織之間的機械不適應(yīng)性[12]。因此，鈦合金在醫(yī)療領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，越來越受到醫(yī)師和患者的重視。
最初應(yīng)用于臨床的鈦合金主要以純Ti 和Ti6Al4V 為代表。20 世紀中期，美國和英國首先將純Ti 應(yīng)用于生物體中，中國于70 年代初開始把人工鈦髖關(guān)節(jié)應(yīng)用于臨床[13]。純Ti 在生理環(huán)境中具有良好的耐腐蝕性能，但其強度和耐磨損性能較差，從而限制了其在承力部位的應(yīng)用，主要用于口腔修復(fù)及承力較小部位的骨替換[14]。與純Ti 相比，Ti-6Al-4V 合金具有較高的強度和較好的加工性能，最初是為航天應(yīng)用設(shè)計，到20 世紀70 年代后期被廣泛用作外科修復(fù)材料，如顱骨修復(fù)片、骨板等(見圖2)。長期以來，國內(nèi)外的研究主要以Ti6Al4V 為主，但因Al、V 等是對人體有害的元素，因而研究方向轉(zhuǎn)至不含Al 和V的新型β 型鈦合金，如TiZrNbSn [15]、Ti24Nb4Zr7.6Sn [16]等。
現(xiàn)今，骨科適合3D技術(shù)的有骨科手術(shù)輔助和骨置換體[17]。手術(shù)輔助是指根據(jù)病患損傷或需要去除部分數(shù)據(jù)打印出假骨和輔助導板，使用假骨和導板模擬手術(shù)研究切割位、打孔位、打孔深度等，大幅度提高手術(shù)質(zhì)量降低手術(shù)風險和難度，縮減手術(shù)時間，減輕病患痛苦。骨假體利用3D打印技術(shù)直接制造成輕量化多孔骨，利于假骨活體化，可在空隙內(nèi)再生人體組織細胞，且定制的假體假骨跟患者身體所長形態(tài)相同，最終手術(shù)完成后達到接近人體真骨的效果[18]。2014年4月，第四軍醫(yī)大學西京醫(yī)院骨科郭征教授帶領(lǐng)的團隊完成亞洲首例鈦合金3D打印骨盆腫瘤假體植入術(shù)，使患者巨大腫瘤切除后的缺失骨盆得到精細化完美重建，解決了復(fù)雜部位骨腫瘤切除后骨缺損個體化重建的臨床難題[19]。2015年7月，第四軍醫(yī)大學唐都醫(yī)院胸腔外科為一名胸骨腫瘤患者成功實施了3D打印鈦合金胸骨植入手術(shù)，術(shù)后患者恢復(fù)良好，無任何并發(fā)癥出現(xiàn)，這也成為世界首例3D打印鈦合金胸骨植入術(shù)[20]。
牙科具有個性化定制快速需求、輕量微型等突出特點，特別適合采用金屬粉末(特別是鈦合金)的3D打印技術(shù)，產(chǎn)品有牙冠、牙橋、舌側(cè)正畸托槽、假牙支架、牙釘?shù)?見圖3)。如果采用傳統(tǒng)制造方式，制造周期長，難以滿足個性化需求。同時制造精度不高，難以加工高硬度材料，需求高強度密集手工操作，人工成本高，制造產(chǎn)品質(zhì)量受制于技師水平等。而采用3D打印生產(chǎn)牙科相關(guān)植入體零件可避免這些問題，可直接輸入三維數(shù)據(jù)使用鈦合金等粉末打印，即可獲得合格的牙科植入體零件。
2.2. 手板和模具領(lǐng)域
3D打印在手板和模具領(lǐng)域亦有著其獨特的優(yōu)勢。一方面，與傳統(tǒng)方法相比，3D打印因由計算機控制，并嚴格按照三維軟件繪圖來控制尺寸。對于復(fù)雜零件，沒有制作路徑限制，可極大幅度降低模型和模具制備時間，提高模型精度與質(zhì)量。特別是可使用零件所用材料制造，可測試更多手板、模型的性能與體驗，尤其超復(fù)雜曲面零件。如果采用傳統(tǒng)工藝制造，可說是讓設(shè)計師頭疼，讓生產(chǎn)者發(fā)瘋，長達數(shù)周，花費大量金錢才能完成，完成后發(fā)現(xiàn)有問題，又要再次試制，采用3D技術(shù)則可在一周之內(nèi)甚至幾個小時低成本完成此工作。3D打印的零件手板和復(fù)雜模具如圖4所示。
2.3. 航空航天領(lǐng)域
傳統(tǒng)鍛造和鑄造技術(shù)制備的鈦合金件已被廣泛應(yīng)用于高新技術(shù)領(lǐng)域，但由于產(chǎn)品成本高、工藝復(fù)雜和較長交貨周期，限制了其應(yīng)用范圍，特別是有定制化要求的航空航天更突顯了傳統(tǒng)加工方式的弊端[21]。
“輕量化”和“高強度”一直是航空航天設(shè)備制造和研發(fā)的主要目標，而由3D打印制造的金屬零件則完全符合其對設(shè)備的要求。首先，3D打印技術(shù)集概念設(shè)計、技術(shù)驗證與生產(chǎn)制造于一體，可快速實現(xiàn)小規(guī)模產(chǎn)品創(chuàng)新，縮短研發(fā)時間。通過3D打印某些零件，可節(jié)約材料，3D打印鈦合金鍛件所特有的增材制造技術(shù)能使原材料利用率高達90%，降低生產(chǎn)成本，沒有復(fù)雜的傳統(tǒng)工藝，縮短制造時間，且可制造出形狀復(fù)雜的零部件。
航空發(fā)動機用鈦合金主要包括TC4、TA11、TC18 等[22]；在飛機機身的應(yīng)用中較廣泛的鈦合金有TB8 [23]、TB6 [24]、TB9 [25]等。近期，比利時航空航天公司Sonaca 與法孚米其林FMAS 公司宣布合作，為航空航天行業(yè)開發(fā)和制造3D打印的鈦合金零件。法國也投資1050 萬美元啟動FAIR 項目，以幫助推進該國工業(yè)增材制造技術(shù)的發(fā)展[26]。使用3D打印鈦合金零件的F-35 戰(zhàn)機已進行試飛。作為鈦合金激光打印領(lǐng)域的先行者，美國自然不甘落后，美國空軍和洛克希德·馬丁公司已宣布與Sciaky 公司成為合作伙伴，且計劃使用該公司生產(chǎn)的襟副翼翼梁裝備正在生產(chǎn)的F-35 戰(zhàn)斗機[27]。
我國在 3D打印航空航天領(lǐng)域較突出的科研團隊為西北工業(yè)大學凝固技術(shù)國家重點實驗室黃衛(wèi)東教授所帶領(lǐng)的團隊以及北京航空航天大學王華明教授所帶領(lǐng)的團隊。近年來，在航空航天領(lǐng)域均取得了較大的成果。圖5 為西工大用3D打印制造3 米長用于國產(chǎn)C919 飛機上的鈦合金中央翼緣條[28]。
此外，中國航天科工三院306所技術(shù)人員成功突破TA15和Ti2AlNb異種鈦合金材料梯度過渡復(fù)合技術(shù)，采用激光3D打印試制出的具有大溫度梯度一體化鈦合金結(jié)構(gòu)進氣道試驗件順利通過了力熱聯(lián)合試驗。該技術(shù)成功融合了激光3D打印與梯度結(jié)構(gòu)復(fù)合制造兩種工藝，解決了傳統(tǒng)連接方式(如法蘭連接、焊接等工藝方法)帶來的增重、密封性差和結(jié)構(gòu)件整體強度剛度低等問題，為具有溫度梯度結(jié)構(gòu)的開發(fā)設(shè)計與制造開辟了新的研制途徑。同時，開創(chuàng)了一種異種材料間非傳統(tǒng)連接的制造模式，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)功能一體化零部件的設(shè)計與制造[29]。
3D打印還可直接用于零部件的修復(fù)和制造[30]。航空航天零件結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，且成本很高昂，一旦出現(xiàn)瑕疵或缺損，可能造成數(shù)十萬甚至上百萬人民幣的損失。而3D打印技術(shù)可用同一材料將缺損部位修補成完整形狀，修復(fù)后的性能不受影響，大大節(jié)約時間和金錢。
3、鈦合金 3D打印的研究現(xiàn)狀
采用激光為熱源的SLM 技術(shù)是將金屬粉末按設(shè)定的路徑一層層堆焊疊加，其本質(zhì)就是一個焊接過程，所以打印的金屬零件內(nèi)部必然存在氣孔、裂紋、夾雜、未熔合等焊接缺陷，因此缺陷控制技術(shù)是金屬3D打印技術(shù)研究的重要課題之一。
SLM 打印零件中的孔洞來源可能有以下幾種：1) SLM 功率不夠或移動速度太快，金屬粉末未完全熔敷就凝固；2) 熔融金屬凝固補縮不及時而形成；3) 成型室內(nèi)氧含量偏高，粉末熔化過程形成氧化物夾雜及氣孔。裂紋主要為冷裂紋，具有典型的穿晶斷裂特征[31]。這是由于SLM 成形過程中激光熔化金屬粉末產(chǎn)生高溫梯度導致零件內(nèi)部存在較高的殘余應(yīng)力，同時抗裂強度低的馬氏體組織在殘余應(yīng)力的作用下產(chǎn)生裂紋，粗大的裂紋最終也會分解為較小的裂紋而終止擴展。
基于這些缺陷的發(fā)生，此時需要通過后處理提高SLM 制件的性能[32]。對于裂紋和缺陷的研究較通用的方法為機械測試、熱處理和HIP 熱等靜壓工藝，并通過電子顯微鏡和計算機斷層掃描來研究SLM 件孔隙分布情況。最初觀察到微米級別的孔隙是影響疲勞強度的主要原因，其中殘余應(yīng)力對疲勞裂紋增長的影響尤為顯著。
對于孔洞缺陷的產(chǎn)生，一般可通過調(diào)節(jié)掃描速度、功率和間距等工藝參數(shù)進行調(diào)節(jié)。為了減少SLM成形金屬零件的孔隙率提高致密度，王迪等人[33]對激光掃描單道熔池的形成特性進行了研究，探討了掃描速度和激光功率對熔池寬度的影響，發(fā)現(xiàn)熔池附近無粉區(qū)寬度與熔池寬度有直接關(guān)系，并分析了激光連續(xù)掃描粉末情況下的掃描線間搭接缺陷，實驗結(jié)果表明，層間錯開掃描策略對SLM 直接成型金屬零件的致密度與力學性能有明顯的改善。王志剛等[34]通過對SLM 制件進行HIP 處理后，發(fā)現(xiàn)真空裂紋完全愈合，試樣中不規(guī)則孔體積縮小，且形狀變?yōu)榍蛐位蛘呓蛐巍τ趯雍褫^小，層與層之間粘結(jié)緊密，相對密度較高的零件HIP 后晶粒更粗大；層厚較大，層間存在少許粘結(jié)不良，但孔洞大部為閉合孔，HIP后晶粒細小且沿SLM 加工層間分布。SLM 制件經(jīng)HIP 后，相對密度都有一定提升，尤其是對于閉合孔較多的制件中相對密度提升很大。
由于殘余應(yīng)力對SLM 成形的影響，陳德寧等人[35]對SLM 蛇形掃描和島式掃描的溫度場進行了對比研究。結(jié)果表明：SLM 成形過程中熔池呈水滴狀，前端溫度等值線比后端細密。與蛇形掃描方式(見圖6(a))相比，島式掃描(見圖6(b))方式下島嶼邊緣會出現(xiàn)溫度二次升高現(xiàn)象，試件整體溫度場分布均勻，有利于減小應(yīng)力集中。溫度場特點直接影響β 相柱狀晶的大小，島式掃描方式更易形成較粗的β相柱狀晶。張升等人[31]通過逐行交替掃描打印TC4合金制件。結(jié)果表明：其組織為網(wǎng)籃狀馬氏體組織，抗裂強度較差的馬氏體組織在殘余應(yīng)力的作用下而產(chǎn)生裂紋，粗大的裂紋最終分解為較小裂紋而終止擴展，并認為通過調(diào)整成形工藝參數(shù)(激光能量、掃描速度、掃描間距)以及控制熔滴的體積可改變制件組織，同時削弱殘余應(yīng)力，從而達到減弱或消除裂紋的目的。Murr 等人[36]通過測試TC4合金的殘余應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)成形件主要受拉伸應(yīng)力的作用，且可達到幾百MPa。殘余應(yīng)力的產(chǎn)生主要是由于熔池內(nèi)較大的溫度梯度，消除殘余應(yīng)力的方法主要有：1) 調(diào)整加工工藝，控制熔池大小，使熱量能較快的散失出去；2) 通過熱處理使殘余應(yīng)力釋放；3) 施加靜載或動載。粉末粒度(D50 中位粒徑)、球形度、流動性、夾雜、氣體含量等也對打印件的質(zhì)量影響很大，激光選區(qū)熔化成形比較合適的粉末粒度為25~45 μm，粉末球形度會影響送
粉和鋪粉的穩(wěn)定性，而影響打印質(zhì)量，粉末中的夾雜物以及氣體等會在打印制件內(nèi)形成夾雜和氣孔[37]。
4、結(jié)束語
直接制造金屬零件，甚至是組裝好的功能性金屬制件產(chǎn)品，無疑是制造業(yè)對增材技術(shù)發(fā)展的終極目標要求。采用激光或電子束直接熔化金屬粉末，逐層堆積金屬，形成金屬直接成形零件，是現(xiàn)代制造技術(shù)的一個跨越。該技術(shù)可直接制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬功能零件，其制件力學性能可達到鍛件性能指標，更能制造出滿足個性化需求的生物醫(yī)用植入體。通過增材制造和減材加工組成的復(fù)合加工系統(tǒng)，可滿足高精度零部件制造加工的要求。通過系統(tǒng)集成現(xiàn)有先進精密機械、電器控制與軟件控制，實現(xiàn)選區(qū)激光熔化設(shè)備國產(chǎn)化，以此拓展并推動增材制造在工業(yè)中的應(yīng)用。因此，金屬增材制造技術(shù)對定制化復(fù)雜型金屬材料而言，是一種極為有利的加工制造技術(shù)。增材制造技術(shù)也為生物制造科學和仿生制造科學提供研究手段，使得增材制造技術(shù)的內(nèi)涵進一步得到延伸。
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