创新惰性气体屏蔽结构用于钛合金激光定向能量沉积

《Materials Today Communications》：Innovative Inert Gas Shielding Configuration for Laser Directed Energy Deposition of Titanium Alloys

　　

本研究提出了一种创新的多环惰性气体屏蔽系统，以实现Ti-6Al-4V合金激光直接能量沉积（LDED）过程中的氧气隔绝。首先，基于详细的流场分析，在基板上低氧区域直径与多环惰性气体屏蔽系统的关键参数（包括氩气汇聚角和环隙尺寸）之间建立了定量相关性。通过纹影法获得的可视化结果与预测的气体流场基本一致。其次，优化配置了关键参数组合，并在45 L/min的氩气流量下实现了均匀的低氧区域（氧气浓度<50 ppm，直径44.66 mm）。沉积的Ti-6Al-4V合金层和块体呈现银白色或浅黄色，表明LDED过程中的氧化被最小化。最后，将多环惰性气体屏蔽系统应用于富氧环境下Ti-6Al-4V构件的制造。研究人员发现，在局部惰性气氛中，粉末飞溅和烟雾得到了有效抑制，氧气抑制率超过23.8%。此外，保护成形的Ti-6Al-4V构件获得了1043 ± 18 MPa的抗拉强度和951 ± 20 MPa的屈服强度，相比于锻件分别提高了16.6%和15.3%。

**论文解读文章**

**研究背景、存在问题及研究目的**

钛合金因其高比强度和优异的耐腐蚀性，在航空航天等领域具有广泛应用。激光定向能量沉积（Laser Directed Energy Deposition, LDED）技术凭借材料利用率高、成形柔性强、可加工材料范围广等优势，成为钛合金增材制造和损伤构件修复再制造的重要手段。然而，钛合金在高温熔融状态下极易与空气中的氧、氮、氢等间隙元素发生反应。当沉积温度超过400°C时，会发生氧吸附并生成脆性氧化物（如TiO₂、Ti₂O₃），导致沉积层中出现气孔、裂纹等冶金缺陷，进而严重劣化构件的力学性能。由于钛合金熔点（约1660°C）远高于其初始氧化温度（400°C），熔池温度甚至可超过2000°C，使得从预热、熔化到凝固的整个沉积过程中，材料均处于高度易氧化的高温状态。

为在低氧气氛下实现钛合金LDED，工业上常采用密封惰性气氛室。但该方法需要预先充满惰性气体并对整个腔室进行净化循环，耗时数小时甚至数天，且持续消耗大量惰性气体。受腔室尺寸限制、高惰性气体消耗以及缺乏实时加工能力等因素制约，密封腔体方法严重限制了大型复杂构件现场修复和高效制造的发展。因此，开发面向敞开/富氧环境的高效局部保护技术，对于实现钛合金的大型激光增材制造与修复至关重要。

已有学者研究了富氧环境中激光增材制造或激光焊接的局部惰性气体屏蔽方案，如同轴屏蔽气、分段喷嘴、同轴锥形模块、多级气罩、蜂窝屏及环形激光沉积双结构喷嘴等。但这些方法未建立局部气氛保护范围与惰性气体输入流量之间的定量关系，导致工艺优化仍需大量人力和物力；同时，惰性气体输入流量显著影响熔池区域的对流行为，基于计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）方法的气体流场分布研究为构建均匀、大面积、稳定的保护气氛提供了重要理论依据。

基于此，本研究提出了一种用于富氧环境下大型钛合金构件LDED的三环惰性气体动态屏蔽技术。

**主要关键技术方法**

研究人员采用以下关键技术方法：基于k-ε湍流模型的CFD模拟方法（利用ANSYS Fluent平台），分析气体汇聚角（A）和三环环隙参数（T₁、T₂、T₃）对基板表面加工区气体流场分布的影响；纹影法流场可视化实验（使用专用纹影凹面镜、高亮度点光源和图像采集装置，氩气预热至50°C以增强温差）验证模拟流场；基于选择性激光熔化技术制造三环局部气体屏蔽装置（材料为轻质高强度铝合金）；LDED沉积实验（系统包括机器人、3 kW光纤激光器、双室送粉器、同轴送粉喷嘴及局部屏蔽装置）对Ti6Al4V合金进行单层、块体及典型构件（薄壁框架和球形燃料罐）的沉积；氧含量分析（采用O/N/H分析仪LECO ONH836）和力学性能测试（万能材料试验机INSTRON 5967）评估防护效果。研究未提及具体样本队列来源。

**研究结果**

**3.1 分层结构设计**

通过CFD模拟研究汇聚角A（50°、55°、60°）和第一环环隙参数T₁（3、6、9、12、15 mm）对低氧区域直径D（空气浓度低于238 ppm，对应氧浓度50 ppm）的影响，发现A=55°、T₁=12 mm时D达12.36 mm且分布均匀。在此基础设计第二环（T₂=10 mm），D扩展至28.73 mm，且第二环气体未显著影响第一环流场。第三环采用T₃=5 mm以形成高流速“动态帘幕”，最终在45 L/min流量下实现直径44.66 mm的低氧区域（氧浓度<50 ppm）。纹影法观测结果与模拟基本一致。

**3.2 压力分布分析**

通过压力梯度分布分析揭示多环结构抑制湍流和氧气卷吸机理：单环时射流边缘陡峭压力梯度引发向内卷曲气流和涡流；第二环引入通过稳定剪切层有效抑制涡流；第三环形成高-低-高梯度流场，中间环（第一、二环）实现动量缓冲，高流速第三环作为“动态帘幕”向内加压，压缩内层流并于基板表面稳定壁面射流，延迟边界层分离，防止氧卷吸。

**3.3 分层梯度速度流场**

对单环、双环和三环模式下16个特征点的稳态流速定量分析表明：核心区内三环协同流速分布差异小，集中于喷嘴轴线附近；过渡区均为稳定层流，三环协同时流速略低于双环；外环区单环出现Kelvin-Helmholtz不稳定性导致的涡旋结构，双环出现层流-湍流混合特性，三环则保持层流特性，边界处轻微湍流混合。三环模式构建了直径约70 mm的惰性气氛域。

**3.4 多环局部气体屏蔽装置**

基于选择性激光熔融技术制造的铝合多环屏蔽装置，通过面粉流动可视化实验显示，单环、双环、三环作用下的氩气作用区直径分别为45.5 mm、67.0 mm和78 mm，与数值模拟趋势一致。

**4.1 钛合金修复模拟实验**

在富氧环境下使用局部屏蔽气进行Ti6Al4V单层和块体沉积（激光功率1200 W，送粉速率5.36 g/min，扫描速度8 mm/s，搭接率50%）。局部屏蔽下的单层呈银白色（少量浅黄），块体呈均匀浅黄色；无屏蔽时单层呈黄绿色和蓝色氧化特征，块体呈蓝、紫甚至黑色。氧含量分析显示，局部屏蔽下块体底部（P3）氧含量最低（0.122 wt%），顶部（P1）最高（0.141 wt%）；无屏蔽下底部最高（0.239 wt%）。局部屏蔽实现了最高49.0%的氧抑制率（P3处），顶部P1处也达23.8%。

**4.2 钛合金构件沉积实验**

成功在开放环境中沉积了薄壁框架（240 mm×240 mm）和球形燃料罐（直径340 mm）。无局部屏蔽时因粉末飞溅和烟尘严重，试验早期即中断；有局部屏蔽时过程稳定，构件呈银白色。球形罐局部出现淡黄色和蓝色氧化，但少量机械加工后即呈现光亮银白色。力学测试表明：局部屏蔽沉积的Ti6Al4V构件抗拉强度1043±18 MPa，屈服强度951±20 MPa，分别比锻件标准（GB/T 2965-2023）提高16.6%和15.3%。延伸率低于锻件，但可通过适当热处理改善。

**讨论与结论**

研究人员讨论了多环屏蔽装置在创建低氧环境的同时产生强对流冷却效应，促进β晶粒内针状马氏体α′相的形成，对最终微观组织和力学性能起决定性作用，因此所获力学性能应视为低氧化环境与强对流冷却双重作用下的综合结果。研究结论部分翻译如下：本研究针对钛合金LDED过程中的氧化控制难题，提出了一种多环协同层流-湍流动态气体屏蔽技术，有效克服了传统密封腔室的技术局限。主要研究内容与结论包括：(1) 提出多环协同层流-湍流动态气体屏蔽技术，通过参数优化（T₁:T₂:T₃=12:10:5，A=55°）实现氩气分层梯度速度分布，中间两环促进渐进动量交换，高速第三环作为“动态帘幕”屏蔽内层流，在开放环境中实现44.66 mm低氧区域（氧浓度<50 ppm，45 L/min流量）。(2) 研制反锥形三环局部气体屏蔽装置并与同轴送粉喷嘴集成，纹影法观测流场与仿真基本一致，沉积Ti6Al4V层和块体呈现特征银白色/浅黄色，氧抑制率超过23.8%。(3) 以薄壁框架和卫星球形燃料罐为例，验证了局部动态气体屏蔽在开放环境中制造大型Ti6Al4V构件的可行性，构件抗拉强度和屈服强度分别超出锻件16.6%和15.3%。未来工作将优化沉积工艺参数和局部气氛条件，为大型钛合金构件沉积和现场修复提供经济有效的局部保护方案。