西安交通大学首创高温合金3D打印技术

一、3D打印单晶高温合金修复技术

‌背景‌：航空发动机叶片由成本昂贵的单晶镍基高温合金制成，服役环境苛刻，易受局部损伤。发展可靠的叶片修复技术对航空发动机延寿、降成本至关重要。3D打印凭借其“精准定位、可控增材”的特点在单晶叶片的修复/再制造领域展现出诱人的应用前景。

‌突破‌：西安交通大学材料学院单智伟研究团队利用同步辐射微衍射、透射电镜等先进表征技术，从微观结构演化的规律入手，为3D打印单晶高温合金定制了热处理制度，解决了单晶叶片3D打印修复后的再结晶问题，并提出了高温合金塑性变形回复的新机制。

‌创新点‌：研究团队提出并证实在固溶前增加“回复”（Recovery）步骤，可以消除再结晶驱动力。经过“回复-固溶-时效”处理，高温合金的残余应力伴随微观组织γ′相的定向粗化而消除，且位错密度可降低至热处理前的5%左右，时效后沉淀强化γ′相达到与铸态基材相同水平。这一发现突破了经典观念所认为的“单晶高温合金不具备回复能力”的认知，为设计3D打印高温合金的非标准热处理制度提供了科学依据。

‌成果‌：该研究以《利用“筏化-回复”效应抑制3D打印修复单晶高温合金的再结晶》为题在材料学科权威期刊Advanced Materials上发表。

二、高温合金微细内流道电解等离子体抛光技术

‌背景‌：复杂内流道的表面质量控制是3D打印技术面临的难题之一。以航空发动机燃油系统为例，其内部往往包含数十个相互交错的微细流道，通道长度与直径比可达10:1甚至更高。这类复杂结构用传统方法抛光时，经常会出现入口处过度抛光而深处抛光不足的问题，更严重的是还可能在工件表面留下影响使用寿命的微裂纹和残余应力。

‌突破‌：西安科技大学和西安交通大学的联合研究团队成功将电解等离子体抛光技术创新性地应用于微细内流道处理，开发出了一套完整的技术解决方案。

‌创新点‌：该技术首次实现了对直径小于3毫米复杂内流道的精确抛光，将表面粗糙度从原来的15.1微米降低到2.793微米，降幅高达81.15%。在更细微的通道（直径0.8毫米）处理中，表面粗糙度能够从6.724微米降低到0.47微米，降幅高达93%。

‌成果‌：研究团队针对不同合金特性，精心设计了差异化的抛光液配方，并通过正交试验系统研究了不同工艺参数对抛光效果的影响。实验结果喜人，在最优工艺参数组合下，GH3536合金内腔道的表面粗糙度从15.1微米降低到2.793微米，GH4169合金微通道的表面粗糙度从6.724微米降低到0.47微米。

三、连续纤维增强复合材料太空3D打印技术

‌背景‌：太空3D打印技术对于开发我国太空制造能力，实现空间站在轨制造、进一步开展深空探索等都具有重大战略意义。

‌突破‌：西安交通大学机械学院李涤尘、田小永教授团队与航天科技五院529厂共同研制了连续纤维增强复合材料太空3D打印装备，实现了我国首次太空3D打印实验，也是国际上第一次在太空中开展该材料的3D打印实验。

‌创新点‌：该技术采用连续干纤维束与热塑性聚合物为原材料，采用自主研发的打印头实现二者的复合浸渍与熔融沉积，实现了复合材料一体化制备与成形。研究团队还开展了复合材料回收再打印技术和极端环境3D打印工艺研究，为太空3D打印走向工程化提供了原创技术。

‌成果‌：相关研究获授权发明专利10余件，发表高水平论文20余篇。

四、3D打印可动人工颈椎技术

‌背景‌：椎体次全切加钛笼、钛板固定术是世界上治疗颈椎病疗效最好、应用最广的标准术式，但现行通用的钛笼是临床医生在手术中手工剪裁的，边缘锐利容易塌陷，塌陷率高达79.7%—93.3%。钛笼塌陷容易引起内固定松动、移位，导致临床症状复发等并发症。

‌突破‌：西安交通大学第二附属医院贺西京博士研究团队结合金属3D打印技术，开发出个性化穹窿顶钛笼式人工颈椎，在国际上创新性提出了椎体次全切术后可动人工椎体-椎间盘复合体植入、重建椎体运动单位功能的理念，研制出可动人工颈椎假体和人工寰齿关节。

‌创新点‌：该团队研发的3D打印个性化穹窿顶钛笼消除了传统钛笼的锐利边缘，能精准适配颈椎解剖形态，同时增大了有效支撑面积，大幅度提高了稳定性和手术疗效，降低了塌陷率。3D打印的钛笼已经过200余例的临床应用，近两年的随访证实，钛笼塌陷等并发症发生率从90%降到10%。此外，可动人工颈椎成功保留颈椎侧屈和旋转活动度，降低邻近节段应力，且能长期维持颈椎生物力学的稳定性。

‌成果‌：该团队成功开展了世界首例可动人工寰枢关节置换手术。经教育部科技查新鉴定，3D打印人工寰枢关节置换术为世界首例。该项目的研究成果目前已在多家三级甲等医院中得到推广应用，并获得一致好评。

单晶高温合金修复技术有哪些应用前景？

‌航空发动机维修领域‌：

单晶高温合金涡轮转子叶片是航空发动机的核心热端部件，长期服役于离心载荷、热应力和高温腐蚀等极端恶劣工况，易产生裂纹、烧蚀、磨损等损伤。

修复技术可恢复叶片几何形状，保持单晶完整性，避免修复区及其与基体的结合区产生冶金缺陷，从而满足严苛的服役要求。

国内外已有多项成功应用案例，如加拿大Liburdi集团公司采用自动送丝WA-DED增材修复设备实现RB211发动机涡轮转子叶片修理，中国航发北京航空材料研究院采用精密弧焊方法增材修复某型燃气轮机Rene N5单晶涡轮转子叶片叶尖损伤，修复叶片已装机应用。

‌燃气轮机维护领域‌：

燃气轮机热端部件同样面临高温、高应力、腐蚀等恶劣环境，单晶高温合金修复技术可延长部件使用寿命，降低更换成本。

修复技术可应用于燃气轮机涡轮叶片、导向叶片等关键部件的维修，提高燃气轮机的可靠性和经济性。

‌复杂结构部件修复领域‌：

对于复杂结构单晶高温合金部件，如内腔结构复杂的单晶叶片，传统制造方法成本高昂且废品率极高。

修复技术可避免将损伤部件直接报废造成的材料浪费和经济损失，对国际建设具有重大意义。

重庆研究院提出的同轴双波长激光粉末床修复新工艺，通过调节轴向/径向热流比例解决了复杂曲面非对称热传导导致的G/R失配问题，为复杂空心单晶叶片激光粉末床修复形性协同调控提供理论支撑。

‌材料成本节约领域‌：

单晶高温合金涡轮转子叶片的制备工艺繁杂，制造周期长、成品率低，更换新叶片将造成材料的极大浪费，并大幅增加成本。

修复技术可有效提高叶片的交付率、延长服役周期，节约材料，大幅降低航空发动机与燃气轮机的制造与维护成本。

‌高端装备制造领域‌：

随着航空发动机推重比的增大，涡轮入口温度的不断提高，单晶叶片的工作环境愈趋恶劣，对修复技术的需求日益增加。

修复技术可满足高端装备制造领域对高性能、长寿命部件的需求，推动我国航空工业领域的快速发展。