鈦合金激光選區(qū)熔化成形研究現(xiàn)狀與展望

隨著我國(guó)高新事業(yè)迅速發(fā)展，航空航天、生物醫(yī)療、海洋工程、軍事等領(lǐng)域?qū)p質(zhì)高性能材料的需求與日俱增，鈦合金因其具有密度小、比強(qiáng)度高、熱強(qiáng)度高、抗腐蝕性好、低溫性能好、彈性模量小等特點(diǎn)而被開(kāi)發(fā)研究，并廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域[1?6]。我國(guó)鈦儲(chǔ)量位居世界第一，合理的開(kāi)發(fā)利用鈦合金，對(duì)我國(guó)未來(lái)發(fā)展具有重大意義。然而，鈦合金材料的低導(dǎo)熱性和低體積比熱會(huì)導(dǎo)致加工時(shí)的切削溫度升高；同時(shí)，鈦合金在高溫下仍保持高強(qiáng)度，則需要更高的加工力[7]，這使得傳統(tǒng)方法生產(chǎn)難度大、周期長(zhǎng)、成本也大幅提高，大大限制了精密鈦合金的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。

增材制造(Additive manufacturing, AM)又稱 3D打印，它因能夠?qū)崿F(xiàn)高精度生產(chǎn)、一體化成形制造、生產(chǎn)周期短、成形件形態(tài)不受限制等特點(diǎn)而廣受關(guān)注。AM 技術(shù)是 20 世紀(jì) 80 年代后期發(fā)展起來(lái)的一種新型加工技術(shù)，它基于離散?堆積原理，利用軟件將三維立體實(shí)物逐層解構(gòu)成二維截面，再利用高輸入能量源逐層熔化原材料粉末或絲材等，通過(guò)逐層累加的加工方式，最終得到立體實(shí)物[8]。目前，AM 技術(shù)的成形材料包括非金屬、金屬材料等，其已被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、高精度電子儀器、珠寶首飾、建筑等領(lǐng)域[9?13]。

AM 技術(shù)按照熱源分類可分為激光增材制造(Laser additive manufacturing, LAM)、電子束增材制造(Electron beam additive manufacturing, EBM)兩大類[14]。其中激光選區(qū)熔化技術(shù)(Selective laser melting, SLM)是 LAM 技術(shù)中最具發(fā)展前景的技術(shù)之一，SLM 技術(shù)能實(shí)現(xiàn)一體化制造，縮短生產(chǎn)周期[15]，此外，在成形過(guò)程中，其熔池內(nèi)的冷卻速度可達(dá)到103~108 K/s，能有效抑制晶粒生長(zhǎng)和合金元素的偏析，在熔池內(nèi)形成較為精細(xì)且均勻的顯微組織，從而提高成形件性能[16]。對(duì)于難加工的鈦合金而言，SLM技術(shù)的興起為其提供了一個(gè)發(fā)展平臺(tái)，SLM 技術(shù)對(duì)鈦合金的高效精細(xì)化生產(chǎn)有著重要作用。

近年來(lái)，國(guó)家科技的高速發(fā)展對(duì)高性能優(yōu)質(zhì)材料的需求日益增加，國(guó)內(nèi)外研究人員大力開(kāi)展對(duì)于SLM 成形鈦合金的研究，以求實(shí)現(xiàn)航空航天、醫(yī)療等領(lǐng)域材料的全面升級(jí)。本文介紹了近年來(lái)激光選區(qū)熔化鈦合金的研究進(jìn)展，從模擬、微觀組織、性能和后處理方面總結(jié)了國(guó)內(nèi)外的研究成果，并指出激光選區(qū)熔化鈦合金的發(fā)展趨勢(shì)和主要問(wèn)題，以期提供借鑒和參考。

1、 激光選區(qū)熔化技術(shù)

1.1 技術(shù)原理

SLM 技術(shù)通過(guò)在三維軟件中構(gòu)建實(shí)物的三維模型，再利用切片軟件將三維模型切割成二維平面，然后導(dǎo)入到3D打印機(jī)中逐層進(jìn)行掃描、加熱，通過(guò)激光加熱使金屬粉末快速升溫，金屬粉末熔化后接著進(jìn)行快速凝固，以實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬粉末材料的激光成形。SLM技術(shù)原理示意圖如圖1[17]所示。因其特殊的生產(chǎn)工藝，SLM 技術(shù)往往被用來(lái)生產(chǎn)薄壁和特殊結(jié)構(gòu)部件，而且將金屬粉末二次回收使用以提高原料利用率和降低生產(chǎn)成本[18?20]。SLM 技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1) 可成形合金粉末，包括鈦合金、不銹鋼、鎳基高溫合金、鋁合金等；2) 成形零件表面質(zhì)量高，經(jīng)簡(jiǎn)單表面處理即可達(dá)到使用要求；3)靈活生產(chǎn)小型復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件；4) 打印件的力學(xué)性能優(yōu)異，優(yōu)于鑄件，比肩鍛件；5) 生產(chǎn)周期小。主要缺點(diǎn)：1) 生產(chǎn)零件尺寸受粉床尺寸限制，一般不超過(guò)500 mm；2) 合金粉末質(zhì)量要求很高。目前，固定牌號(hào)合金粉末的制備技術(shù)較為成熟，而對(duì)新型合金粉末的開(kāi)發(fā)有限。

1.2 工藝參數(shù)

通過(guò)對(duì) SLM 成形工序的相關(guān)工藝參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)：激光功率、掃描速度、掃描間距以及鋪粉厚度對(duì)成形構(gòu)件力學(xué)性能影響顯著。這4個(gè)工藝參數(shù)在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中容易調(diào)節(jié)，因而受到眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注，這些參數(shù)最終歸定為統(tǒng)一參數(shù)—體積能量密度(ρV)[21]，其定義為：

式中：ρV為體積能量密度(J/mm3)；P 為激光功率(W)；v為掃描速度(mm/s)；h為掃描間距(μm)；t為層厚(μm)。HANN 等[22]提出 keyhole-mode(匙孔熔池模式)閾值的數(shù)學(xué)準(zhǔn)則，讓最佳激光功率和掃描速度的參數(shù)值的探索變得更方便，其公式如下：

式中：d 為激光光斑尺寸；Tb為沸點(diǎn)；K 為導(dǎo)熱系數(shù)；D為合金的熱擴(kuò)散系數(shù)；A為激光吸收率(與材料、激光波長(zhǎng)等參數(shù)有關(guān))。當(dāng)

大于等于匙孔閾值時(shí)，熔池進(jìn)入匙孔熔池模式，該模式下匙孔缺陷增多，孔隙率較大，一般在小于閾值的區(qū)間并結(jié)合模擬或其他合金工藝參數(shù)來(lái)確定激光功率和掃描速度。掃描間距直接影響激光光斑的大小，小的掃描間距會(huì)導(dǎo)致高能量區(qū)域集中，從而形成重熔區(qū)域，進(jìn)而降低相對(duì)密度；而大的掃描間距會(huì)減少重熔現(xiàn)象，使得粉末與基材之間的潤(rùn)濕性得到增強(qiáng)，進(jìn)而可以提高成形件致密度。但是當(dāng)掃描間距過(guò)大時(shí)，相鄰區(qū)域的粉末熔合不足，表面會(huì)殘留未熔化顆粒。鋪粉厚度較小時(shí)，體能量密度相對(duì)較大，大的能量密度能充分熔合金屬粉末，進(jìn)而提高合金表面的成形質(zhì)量。相反地，鋪粉厚度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致體能量密度相對(duì)較小，而不能完全融化金屬粉末，從而使合金零件的致密性和力學(xué)性能下降。關(guān)于鋪粉厚度的研究，PANWISAWAS 等[23]和 QIU 等[24]通過(guò)研究鋪粉厚度對(duì)合金表面質(zhì)量的影響發(fā)現(xiàn)，鋪粉厚度較低時(shí)有利于合金表面的成形質(zhì)量，當(dāng)鋪粉厚度超過(guò)0.04 mm時(shí)，合金的表面粗糙度和孔隙率都會(huì)增大。繼續(xù)增加厚度，合金的成形質(zhì)量會(huì)更加惡化。

SLM 成形的零件質(zhì)量也受掃描策略的影響，掃描策略分為同層掃描和異層掃描，常見(jiàn)的同層掃描方式有島式掃描和 S 形掃描[25?26]。有研究指出，S形掃描成形質(zhì)量較差，主要因?yàn)榇鬁囟忍荻群蛻?yīng)力集中。相比之下，島式掃描是一種短邊掃描方式，能夠避免這些問(wèn)題。但在島嶼的邊緣可能會(huì)產(chǎn)生二次升溫現(xiàn)象，從而影響表面質(zhì)量。異層掃描原理是每掃描完成一層，激光按掃描角度旋轉(zhuǎn)繼續(xù)掃描下一層。異層掃描能夠有效地降低殘余應(yīng)力，并被眾多國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛應(yīng)用。一些研究發(fā)現(xiàn)，在旋轉(zhuǎn)角度為 67°或 90°時(shí)，合金產(chǎn)生的殘余應(yīng)力較小[27?28]。因此，適當(dāng)?shù)膾呙璺绞侥軌蛱岣?SLM 技術(shù)的成形質(zhì)量，并減少殘余應(yīng)力，對(duì)提高加工效果具有重要意義。

1.3 合金粉末

目前，SLM技術(shù)常用已有牌號(hào)的鈦合金粉末，合金粉末的原材料需要具備一系列優(yōu)良特性，包括粒徑細(xì)小、粒度分布窄、球形度高、流動(dòng)性強(qiáng)以及松裝密度高等[29]。在國(guó)內(nèi)外，生產(chǎn)合金粉末的公司采用多種技術(shù)，包括等離子旋轉(zhuǎn)電極法、稀有氣體霧化法、感應(yīng)等離子球化法以及感應(yīng)等離子霧化法[30]?，F(xiàn)在使用較廣泛的是稀有氣體霧化法，然而，由于該法對(duì)鈦合金粉末的質(zhì)量要求高，導(dǎo)致粉末的生產(chǎn)成本相對(duì)較高。因此，現(xiàn)需進(jìn)一步研發(fā)鈦合金粉末的生產(chǎn)工藝，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)低成本的鈦合金 SLM 成形，這將有助于推動(dòng) SLM 技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，為制造業(yè)帶來(lái)更為經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。這一挑戰(zhàn)性的目標(biāo)需要產(chǎn)業(yè)界、研究機(jī)構(gòu)和政府共同努力，以推動(dòng)合金粉末制備技術(shù)的創(chuàng)新和進(jìn)步[31?32]。

1.4 數(shù)值模擬

困擾 SLM 鈦合金工業(yè)化的重要因素之一就是成本問(wèn)題，控制成本是目前研究人員面臨的主要難題，早期有學(xué)者提出通過(guò)模擬手段進(jìn)行預(yù)加工，來(lái)規(guī)避產(chǎn)品缺陷，提高生產(chǎn)力。目前，SLM 的模擬主要是預(yù)測(cè)熔池幾何形狀演變、熱傳導(dǎo)、微觀組織、力學(xué)性能和復(fù)雜幾何形狀下的殘余應(yīng)力等，有限元分析(FEA)、有限體積法(FVM)、離散元法(EDM)、計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法以及機(jī)器學(xué)習(xí)方法是目前主流的模擬方法[33]。表1所示為常用的模擬方法[34?37]。

除了常見(jiàn)的典型模擬模型外，研究人員還根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境開(kāi)發(fā)出多種先進(jìn)、高效的模型，如：為了預(yù)測(cè)多晶凝固組織的形成，PINOMAA[38]提出了一種基于擴(kuò)散界面多相計(jì)算流體力學(xué)的大規(guī)模高效傳熱模型，以描述大體積內(nèi)的溫度演化。該模型準(zhǔn)確地描述了熔池內(nèi)的傳熱過(guò)程，并對(duì) SLM過(guò)程中驅(qū)動(dòng)凝固的局部熱條件進(jìn)行了估計(jì)，得知對(duì)流、馬蘭戈尼效應(yīng)和金屬粉末蒸發(fā)是影響傳熱行為的關(guān)鍵因素。結(jié)果表明，該模型可以快速預(yù)測(cè)凝固過(guò)程中整體溫度分布和固態(tài)二次熱循環(huán)的溫度分布，并能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)熔池中缺陷的成形。GUO[39]提出了一種基于固有應(yīng)變法的自底向上改進(jìn)的綜合建模方法，并用該方法來(lái)估計(jì)設(shè)計(jì)和打印零件之間的表面波動(dòng)，以此進(jìn)一步預(yù)測(cè) SLM 零件表面質(zhì)量。

該模型中溫度場(chǎng)是通過(guò)虛擬熱源技術(shù)從包含面內(nèi)掃描軌跡熱影響的殘余溫度積分的準(zhǔn)靜態(tài)熱分析模型中獲得。層間應(yīng)變累積和層間重熔效應(yīng)分別通過(guò)層間波動(dòng)疊加和重熔深度參數(shù)嵌入到固有應(yīng)變中，并采用彈性格林函數(shù)模型和修正的彈性麥克道爾解析模型來(lái)求解應(yīng)變組。模型中采用的是與溫度相關(guān)的材料特性，最終做到能定量預(yù)測(cè)和直觀評(píng)價(jià) SLM零件的打印表面質(zhì)量，其分析建模框架如圖 2[39]所示。

數(shù)值模擬在 SLM 技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。數(shù)值模擬技術(shù)可以為工藝設(shè)計(jì)、材料選擇與性能優(yōu)化、缺陷預(yù)測(cè)與質(zhì)量控制以及制造過(guò)程優(yōu)化等提供有效的指導(dǎo)。

2 、激光選區(qū)熔化鈦合金

鈦合金根據(jù)合金成分可分為三大類：α+β、β、α鈦合金。在SLM鈦合金的發(fā)展歷史中，α+β鈦合金的研究最為廣泛，其工藝參數(shù)方面的研究已經(jīng)十分成熟。近年來(lái)，α+β鈦合金打印件最佳后處理工藝的探索成為了研究熱點(diǎn)。β鈦合金具有出色的生物相容性，常被用于醫(yī)療領(lǐng)域。近年來(lái)，研究人員針對(duì)SLM β鈦合金的組織性能和熱處理進(jìn)行深入研究。相較于以上兩種鈦合金而言，α鈦合金加工窗口小、成形性能較差。目前，最佳打印參數(shù)的探索仍是α鈦合金的研究重點(diǎn)。

2.1 α+β鈦合金

在SLM成形鈦合金中，α+β鈦合金的研究歷程最久，其中SLM Ti-6Al-4V鈦合金構(gòu)件已經(jīng)成功應(yīng)用于航空航天和醫(yī)療領(lǐng)域[40?41]。SLM 制備 Ti-6Al-4V時(shí)，過(guò)大的溫度梯度使得Ti-6Al-4V的基體為柱狀β相和針狀α馬氏體相[42]，這種微觀組織的強(qiáng)度高、塑性差[43]，但經(jīng)過(guò)后處理后，塑性會(huì)有所改善。

合適的熱處理工藝可以極大地減小快速凝固成形過(guò)程中的殘余應(yīng)力，改變組織形貌與尺寸等，從而優(yōu)化組織和力學(xué)性能。SABBAN 等[44]提出在975 ℃和925 ℃兩個(gè)溫度循環(huán)退火的方法，誘導(dǎo)熱溝槽和邊界分裂機(jī)制，從而實(shí)現(xiàn)球化板條α相，最終獲得雙模態(tài)組織，即球狀α和網(wǎng)籃狀組織。球狀組織賦予材料延展性，網(wǎng)籃狀組織賦予材料強(qiáng)度，該雙模態(tài)組織使材料塑性提高了80%，韌性提高了66%，實(shí)現(xiàn)了塑性和韌性的良好結(jié)合。XIAO 等[45]通過(guò)采用退火的熱處理方法優(yōu)化了SLM Ti-6Al-4V的微觀組織結(jié)構(gòu)，即對(duì) SLM Ti-6Al-4V 合金進(jìn)行950 ℃退火處理4 h，在消除殘余應(yīng)力的同時(shí)將α馬氏體分解為α+β穩(wěn)定相，并且在β相邊界生成等軸αGB，不僅提高了抗裂紋萌發(fā)和擴(kuò)展能力，還減少了沿晶斷裂，將材料伸長(zhǎng)率提高到26.4%。

隨著對(duì) SLM α+β 鈦合金的深入研究，研究人員在傳統(tǒng)熱處理基礎(chǔ)上開(kāi)展出新型后處理方法。

YAN 等[46]采用脈沖電流處理 SLM Ti-6Al-4V 合金。其實(shí)驗(yàn)分為三組進(jìn)行，其中，HT 實(shí)驗(yàn)組預(yù)熱至1293 K 保溫 5 min 再空冷。EPT 實(shí)驗(yàn)組在 HT 實(shí)驗(yàn)組基礎(chǔ)上通脈沖電流 400 ms，再加風(fēng)冷處理。ABA+EPT實(shí)驗(yàn)組先退火(700 ℃、16 h)，再通相同參數(shù)條件的脈沖電流。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在相變過(guò)程中，脈沖電流會(huì)均勻化SLM Ti-6Al-4V合金中α的12種變體。通過(guò)EPT組與ABA+EPT組發(fā)現(xiàn)，脈沖電流會(huì)引發(fā)熱殘余應(yīng)力，如圖 3(a)~(c)中紅色標(biāo)定部分所示，這是由于脈沖電流導(dǎo)致β晶粒內(nèi)部和β晶界升溫速率不同，使β晶粒發(fā)生塑性變形，從而產(chǎn)生熱殘余應(yīng)力，進(jìn)而影響α的形核和變體的選擇。由于界面的不穩(wěn)定機(jī)制，α 晶粒優(yōu)先在晶界處形核，并在高溫作用下長(zhǎng)成集束狀組織。同時(shí)，在β晶粒內(nèi)部存在大量的位錯(cuò)(見(jiàn)圖3(f))，β晶粒內(nèi)部的位錯(cuò)會(huì)通過(guò)增加原子擴(kuò)散速率來(lái)加速相轉(zhuǎn)變，且較高的相變速率有利于網(wǎng)籃狀組織的形成。由于α變體在原始β晶界和β晶粒內(nèi)部競(jìng)爭(zhēng)形核，空冷后會(huì)形成集束狀和網(wǎng)籃狀混合組織。小尺寸的集束狀組織起到細(xì)晶強(qiáng)化作用，提高了材料的屈服強(qiáng)度；網(wǎng)籃狀組織可以阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和微裂紋擴(kuò)展，從而提高材料的延展性。

ABA+EPT實(shí)驗(yàn)組的微觀組織表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能，其塑性比打印態(tài)組織高出66%。LI 等[47]在傳統(tǒng)熱處理工藝基礎(chǔ)上加入磁場(chǎng)對(duì)SLMed Ti-6Al-4V合金進(jìn)行處理，分別在0 T、2 T、4 T、6 T、8 T、10 T的磁場(chǎng)強(qiáng)度和400 ℃溫度下處理30 min，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。結(jié)果表明，磁場(chǎng)會(huì)促進(jìn)α′馬氏體向α+β轉(zhuǎn)變。強(qiáng)磁場(chǎng)與退火的耦合作用加速了馬氏體的分解，減小了α′/α板條的寬度，這是由于強(qiáng)磁場(chǎng)熱處理改變了相變的熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力。8 T實(shí)驗(yàn)組試樣的組織中存在大量超細(xì)α+β相，該組試樣具有適中的強(qiáng)度和優(yōu)異的延展性。該研究提出的短時(shí)處理工藝加速了SLM Ti-6Al-4V結(jié)構(gòu)部件在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用。

竇恩惠等[48]研究了退火熱處理對(duì)SLM成形Ti-6.5Al-3.5Mo-l.5Zr-0.3Si(TC11)合金的影響。結(jié)果顯示，經(jīng)950 ℃退火1 h后，α片層細(xì)密，且晶界α相由連續(xù)分布轉(zhuǎn)變?yōu)榉沁B續(xù)分布。非連續(xù)的α相能有效地阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。退火態(tài)的TC11鈦合金強(qiáng)度和塑性匹配更佳，其抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率分別為1051 MPa和19.8%。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)激光選區(qū)熔化α+β鈦合金的研究集中于Ti-6Al-4V鈦合金，對(duì)其他新型α+β鈦合金的開(kāi)發(fā)尚且不夠。

2.2 β鈦合金

β鈦合金具有較低的彈性模量、形狀記憶性能、優(yōu)異的耐腐蝕性和良好的生物相容性，是生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域最具吸引力的材料之一[49]。SLM 技術(shù)具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)凈成形的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)臨床醫(yī)學(xué)中不同病人獨(dú)特的骨骼結(jié)構(gòu)假體的快速制備。同時(shí)，SLM技術(shù)制備的構(gòu)件表面質(zhì)量較高，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的處理就可以投入使用。因此，SLM β鈦合金在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景。在成形性能方面，SLM制備的β鈦合金相比于傳統(tǒng)加工工藝具有很大優(yōu)勢(shì)。SLM制備β鈦合金過(guò)程中會(huì)發(fā)生大量無(wú)擴(kuò)散相變并且產(chǎn)生少量細(xì)小的孿晶，這種變化會(huì)給材料帶來(lái)性能上的提升，因此,研究人員著重關(guān)注SLM β鈦合金微觀組織演變與性能 強(qiáng) 化 機(jī) 制 。 基 于 HANN[22] 的 公 式 ， 即 式 (1)，LUO 等[50]采用 160 W 的激光功率和 600 mm/s 的掃描速度打印 Ti-34.2Nb-6.8Zr-4.9Ta-2.3Si(TNZTS)合金，成功調(diào)節(jié)熔池模式為傳導(dǎo)熔池模式，進(jìn)而通過(guò)調(diào)節(jié)掃描速度和激光功率來(lái)調(diào)控熔池模式，從而避免了絕大多數(shù)的孔隙缺陷，其熔池截面形貌見(jiàn)圖5。

該打印工藝成功將SLMed TNZTS合金試樣的致密度提高到99.7%。SLMed TNZTS合金的基體由β-Ti柱狀晶界及其周圍的薄殼狀 S2 相和 β-Ti 基體中的超細(xì)點(diǎn)狀S1相組成，并表現(xiàn)出1286 MPa的超高屈服強(qiáng)度、2375 MPa 的高抗壓強(qiáng)度和 79 GPa 的低彈性模量。超高強(qiáng)度是由高密度位錯(cuò)、半共格 S1 相和共格 S2 相對(duì)位錯(cuò)的有效阻擋誘導(dǎo)的位錯(cuò)強(qiáng)化所致。

研究發(fā)現(xiàn)，多數(shù)SLM β鈦中會(huì)發(fā)生相變誘導(dǎo)塑性(TRIP)和孿生誘導(dǎo)塑性(TWIP)效應(yīng)，這會(huì)增強(qiáng)構(gòu)件的延展性[51]，LIU等[52]在SLM Ti-25Nb-3Zr-3Mo-2Sn(TLM) 合 金 時(shí) 也 發(fā) 現(xiàn) 該 現(xiàn) 象 ， 發(fā) 現(xiàn) TRIP 和TWIP效應(yīng)會(huì)避免多孔結(jié)構(gòu)發(fā)生分層斷裂，提供了一種通過(guò)相變和孿晶耦合效應(yīng)引發(fā)多孔金屬材料非分層斷裂的新型強(qiáng)化模型。QIU 等[53]采用 SLM 技術(shù) 制 備 了 一 種 亞 穩(wěn) 態(tài) β 鈦 合 金 (Ti-10V-2Fe-3Al(Ti1023))，研究表明 SLMed Ti1023 合金屈服強(qiáng)度要高于傳統(tǒng)水淬工藝處理的Ti1023合金。這是因?yàn)樵?SLM 制備過(guò)程中，快速冷卻產(chǎn)生的固溶強(qiáng)化賦予了材料高的屈服強(qiáng)度，并且 SLMed Ti1023 合金的微觀組織中具有細(xì)小晶粒、納米尺寸的ω相和高密度的位錯(cuò)，從而誘導(dǎo)細(xì)晶強(qiáng)化、第二相強(qiáng)化以及位錯(cuò)強(qiáng)化機(jī)制。

SLM 技術(shù)的性能優(yōu)勢(shì)不僅僅體現(xiàn)在強(qiáng)度和塑性方面，在耐腐蝕性能方面也有出色的表現(xiàn)。

PEDE等[54]的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，SLM打印的材料表面質(zhì)量更佳。其實(shí)驗(yàn)材料采用 SLM 制備的 Ti-42Nb 和 Ti-20Nb-6Ta兩種新型β鈦合金。研究表明，SLM制備的材料表面粗糙度更低，抗腐蝕性能更佳，其材料表面質(zhì)量如圖 6[54]所示。在此基礎(chǔ)上 PEDE 還增加了一組精細(xì)打磨的試驗(yàn)組，用來(lái)規(guī)避表面粗糙度對(duì)腐蝕性能的影響。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)極化實(shí)驗(yàn)后，SLM制備的兩種新型β鈦合金表面沒(méi)有出現(xiàn)明顯的點(diǎn)蝕現(xiàn)象，這是由于Nb和Ta含量的增加促使鈍化層中鉭氧化物和鈮氧化物的形成，從而改進(jìn)鈍化層結(jié)構(gòu)。SLMed材料耐腐蝕性增強(qiáng)的原因歸結(jié)于優(yōu)異的表面質(zhì)量和特殊的鈍化層結(jié)構(gòu)。其中，Ti-42Nb的鈍化層在非常高的電位下似乎更穩(wěn)定，高抗腐蝕性新型β鈦合金的成功研制為鈦合金在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了推動(dòng)力。

SLM β鈦合金存在典型的柱狀晶組織，這些柱狀晶是打印過(guò)程中在熔池中擇優(yōu)生長(zhǎng)形成的，有明顯的各向異性。ZHOU等[55]對(duì)此展開(kāi)研究，發(fā)現(xiàn)在沿單軸單向掃描的試樣中，β晶粒呈現(xiàn)出〈011〉擇優(yōu)取向，這是由沿著與構(gòu)建方向呈 45°的生長(zhǎng)的、〈001〉晶向的兩個(gè)相互垂直的晶粒碰撞產(chǎn)生的。旋轉(zhuǎn)90°單向掃描的試樣顯示出〈001〉晶向，這是由熔

池中心垂直生長(zhǎng)的柱狀晶生長(zhǎng)形成的。這些強(qiáng)織構(gòu)結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致力學(xué)性能的各向異性，甚至可能會(huì)引起著的局部應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致材料失效，阻礙材料在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)用。近期，QI 等[56]研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)退火熱處理可以降低材料的各向異性 ，對(duì)打印態(tài) Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe(Ti55511)合金進(jìn)行退火處理((950 ℃, 15 min)+WQ+(950 ℃,30 min)+WQ+(950 ℃, 30 min)+WQ))后誘導(dǎo)柱狀晶等軸化。打印態(tài)Ti55511合金中存在較高的位錯(cuò)密度和大量的小角度晶界。富集小角晶界的β晶粒具有較高的應(yīng)變能，在熱處理作用下更容易發(fā)生再結(jié)晶。SLMed Ti55511合金試樣在高溫?zé)崽幚砗笮纬闪说容Sβ晶粒和隨機(jī)取向分布的穩(wěn)定組織。這種微觀結(jié)構(gòu)的各向異性較低，更利于實(shí)際應(yīng)用。該退火方式大大推動(dòng)了SLM β鈦合金的工業(yè)化生產(chǎn)。

QI等[57]分析了固溶前后SLMed近β鈦合金(Ti-6Zr-5Fe)頂部和底部組織差異以及顯微硬度差異的原因。這主要是打印件底部受到的熱影響較強(qiáng)，相當(dāng)于進(jìn)行了熱處理，所以打印態(tài)底部組織中會(huì)出現(xiàn)αGB相，且由于底部的 α 相受熱影響作用，其尺寸也較大。QI 等[57]對(duì) SLMed Ti-6Zr-5Fe 合金進(jìn)行860 ℃、1 h固溶處理，結(jié)果表明，頂部組織中α相完全溶解并且 β 相尺寸增加，底部組織中的 αGB相在固溶過(guò)程中阻礙 β 相的長(zhǎng)大，最終頂部組織以 β相為主，底部以β相和αGB相為主，且底部β相的尺寸小于頂部β相的尺寸。由于打印態(tài)試樣頂部具有細(xì)小的 α 相，故其頂部的顯微硬度(518HV)要高于底部(394HV)。固溶態(tài)試樣的頂部和底部的顯微硬度分別為 482HV 和 475HV，頂部顯微硬度下降的主要原因在于α相是β鈦合金的強(qiáng)化相，而固溶后，頂部細(xì)小的α相消失，導(dǎo)致頂部硬度下降。而底部硬度上升的原因是因?yàn)?Fe 和 Zr元素的固溶強(qiáng)化作用提高了材料的顯微硬度。

2.3 α鈦合金

α鈦合金可以長(zhǎng)時(shí)間在高溫(500~600 ℃)環(huán)境下服役，有良好的熱穩(wěn)定性、抗氧化性和焊接性能[58?59]。α鈦合金在室溫和高溫下的高強(qiáng)度使其成為制造艙壁和機(jī)艙中心梁框架的最佳材料[60]。為滿足輕量化設(shè)計(jì)和減少成本的需求，飛機(jī)部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)愈發(fā)復(fù)雜化，但傳統(tǒng)加工方法很難滿足要求。

因此，研究人員開(kāi)展 SLM 一體化成形 α 鈦合金的研究。

目前，研究人員針對(duì)SLM α鈦合金的工藝參數(shù)和后處理對(duì)微觀組織及力學(xué)性能的影響開(kāi)展研究。

CAI 等[61]研究了工藝參數(shù)、熱處理對(duì) SLM 構(gòu)建 Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V(TA15)合金微觀組織及力學(xué)性能的影響，采用多組不同工藝參數(shù)打印 TA15 鈦合金，將不同能量密度的工藝分成三個(gè)具有代表性的區(qū)域，即高能量密度區(qū)、適宜能量密度區(qū)和不足能量密度區(qū)。SLMed TA15 打印件宏觀結(jié)構(gòu)如圖 7所示，其中激光功率 230~380 W 和掃描速度 675~800 mm/s 是 SLMed TA15 合金的最佳加工參數(shù)范圍，因?yàn)樵谠搮?shù)范圍內(nèi)，合金具有合適的熔池重疊比，并且打印件表面質(zhì)量良好、具有較高的致密度。室溫下 S17 的抗拉強(qiáng)度達(dá)到 14221.1 MPa，伸長(zhǎng)率為9.5%，500 ℃下抗拉強(qiáng)度達(dá)到990 MPa，伸長(zhǎng)率為 15.6%。后續(xù)，CAI 等[61]將 S17 樣品的打印厚度改為60 μm，然后對(duì)打印態(tài)的樣品進(jìn)行750 ℃退火處理。在退火過(guò)程中，合金微觀組織的演變過(guò)程為：細(xì)板條狀(α+β)和針狀α馬氏體相→全板條狀(α+β)→粗板條狀(α+β)和板條狀(α+β)。退火后，試樣在室溫下的抗拉強(qiáng)度達(dá)到1123.6 MPa，伸長(zhǎng)率為11.3%；500 ℃下，抗拉強(qiáng)度達(dá)到757.1 MPa，伸長(zhǎng)率為 13.4%。CAI 等[61]的研究為 SLM 構(gòu)建 TA15 鈦合金做出了卓越貢獻(xiàn)，同時(shí)，滿足了輕型強(qiáng)韌化合金的工業(yè)需求。隨后，JIANG 等[62]通過(guò)優(yōu)化 SLMTA15 鈦合金工藝參數(shù)的方式，將打印件抗拉強(qiáng)度和硬度分別提高到 1296 MPa 和 395HV，但其塑性較差，只有 7.6%(見(jiàn)圖 8)。由圖 8 可看出，試樣微觀結(jié)構(gòu)中存在細(xì)小孿晶和大量位錯(cuò)，其中細(xì)小孿晶有效阻礙晶體中位錯(cuò)滑移。孿晶界通過(guò)有效地阻止材料中的裂紋擴(kuò)展和阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)來(lái)提高材料的強(qiáng)度。

FAN 等[63]成功采用 SLM 制備出高溫近 α 鈦合金 Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo(Ti-6242)，并對(duì)試樣進(jìn)行時(shí)效處理(595 ℃，8 h)，研究時(shí)效對(duì)微觀組織、力學(xué)性能的影響。結(jié)果顯示，打印態(tài)的組織為典型的針狀 α 馬氏體和 β 基體，其中 α 馬氏體中存在細(xì)小的孿晶，這些孿晶是由熱源的反復(fù)加熱所形成的。試樣在室溫下的抗拉強(qiáng)度為 1438 MPa，伸長(zhǎng)率為5.3%。時(shí)效后，α 馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)?α 和 β 穩(wěn)定相，組織呈 α 和殘余 α 馬氏體交錯(cuò)的片層結(jié)構(gòu)，且在 α 馬氏體周圍存在少量納米β晶。時(shí)效后，材料抗拉強(qiáng)度達(dá)到 1510 MPa，伸長(zhǎng)率僅有 1.4%。通常，經(jīng)過(guò)時(shí)效處理后，材料組織結(jié)構(gòu)中的位錯(cuò)消解，材料會(huì)發(fā)生軟化現(xiàn)象，但是在此研究中，納米級(jí)β晶的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致時(shí)效后硬度反而升高，達(dá)到 451HV。

WANG等[64]對(duì)SLM TA15鈦合金做了四組熱處理實(shí)驗(yàn)：以 10 ℃/min 速度升溫至預(yù)定溫度(950 ℃、1000 ℃、1050 ℃、1100 ℃)，并保溫2 h進(jìn)行水淬，然后在600 ℃下保溫4 h，再空冷。通過(guò)表征發(fā)現(xiàn)，熱處理前基體中存在大量不同尺寸的α馬氏體，其中尺寸較大的是一次馬氏體，二次、三次馬氏體尺寸逐漸減小，馬氏體中存在大量位錯(cuò)和孿晶。相比之下，熱處理后的組織更加均勻，基體中小角度晶界減少、大角度晶界增加。在熱處理過(guò)程中，馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S狀初生α相和片層狀次生α相。隨著熱處理溫度的升高，試樣的延展性先升高后降低。這是由于等軸初生α相的尺寸隨著溫度的升高而逐漸增大。在一定范圍內(nèi)，更多更大的等軸α相有利于提高試樣的延展性。但是，尺寸過(guò)大的等軸α相可能導(dǎo)致晶粒中形成孔洞或使晶粒變形不均勻，從而降低材料的塑性。隨著溫度的升高，材料的抗拉強(qiáng)度呈先升高后降低的趨勢(shì)。這是由于層狀次生α相的寬度逐漸減小，在一定范圍內(nèi)減少層狀次生α相的數(shù)量和厚度有利于試樣的高溫強(qiáng)度。層狀次生α相通過(guò)抑制位錯(cuò)的移動(dòng)來(lái)提高材料的抗變形能力。

經(jīng) 1000 ℃固溶處理后，試樣表現(xiàn)出最佳的綜合力學(xué)性能，其高溫抗拉強(qiáng)度為715 MPa，對(duì)應(yīng)的伸長(zhǎng)率為24.5%。

3、 激光選區(qū)熔化鈦合金應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 航空航天領(lǐng)域

國(guó)家在航空航天領(lǐng)域的發(fā)展情況可以側(cè)面反映國(guó)家制造業(yè)水平，同時(shí)也是國(guó)家軍事力量強(qiáng)弱的體現(xiàn)。航空航天領(lǐng)域的構(gòu)件往往服役于極端艱苦的條件，其構(gòu)件要求具有超輕量化、高耐熱性、耐腐蝕、超高承載等特性，并且結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜[65?66]。

SLM 制備的鈦合金構(gòu)件因出色的力學(xué)性能和一體化成形的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。

2019 年，空客公司利用 SLM 技術(shù)制造的飛機(jī)用 Ti-6Al-4V 支架相比傳統(tǒng)加工方式制備的支架減重了約30%[67]。此外，該公司還成功實(shí)現(xiàn)客機(jī)艙門鎖閂軸的一體化制造，將 10 個(gè)零件整合為 1 個(gè)零件，實(shí)現(xiàn)了減重降本的目標(biāo)。同樣，GE公司利用SLM 工藝完成了航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴的一體化成形，如圖9(a)所示，將20個(gè)零件集成為1個(gè)部件進(jìn)行打印，不僅減重25%，而且實(shí)現(xiàn)數(shù)萬(wàn)個(gè)零件的批量制造。此外，GE公司還利用SLM完成了發(fā)動(dòng)機(jī)電動(dòng)門支架的制造，如圖9(b)所示，減重10%，減少了90%的原材料浪費(fèi)。

這些創(chuàng)新應(yīng)用在航空領(lǐng)域展現(xiàn)了 SLM 技術(shù)的重要地位和潛在的成本效益，為航空工業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了新的前景[68]。中國(guó)航天科工集團(tuán)有限公司和鑫精合激光科技發(fā)展(北京)有限公司合作開(kāi)發(fā)、采用SLM工藝打印的某噴管產(chǎn)品，其尺寸為d 580 mm×500 mm, 材料為TA15，具有壁厚薄、復(fù)雜內(nèi)流道一體成形、結(jié)構(gòu)一致性好的特點(diǎn)，達(dá)到了減重和結(jié)構(gòu)功能一體化的效果[69]。本課題組通過(guò)模擬和預(yù)實(shí)驗(yàn)對(duì)比了8組不同工藝參數(shù)下的SLMed Ti-6Al-4V鈦合金試樣，經(jīng)過(guò)篩選，選用成形性最佳的工藝參數(shù)來(lái)打印渦輪葉片部件。其中，所使用的打印機(jī)為寧夏共享集團(tuán)提供，其渦輪葉片部件如圖10所示。

目前，SLM 航空航天用鈦合金面臨的主要問(wèn)題是如何在高溫環(huán)境下保證高強(qiáng)度的同時(shí)還能提高材料的韌性，這迫切需要服役溫度在600 ℃以上并且兼具優(yōu)良 SLM 工藝性的高溫高強(qiáng)鈦合金。有研究發(fā)現(xiàn)，有望在雙模態(tài)組織中實(shí)現(xiàn)材料高強(qiáng)度和高韌性結(jié)合，但這仍需要更加深入的研究。同時(shí)，目前有關(guān)高溫高壓環(huán)境下 SLM 鈦合金材料的研究尚不深入。

3.2 醫(yī)療領(lǐng)域

低密度、低楊氏模量、良好的力學(xué)性能、良好的耐腐蝕性和高的生物相容性等特點(diǎn)使鈦合金成為生物醫(yī)學(xué)植入中最理想的材料之一[70?74]。如果醫(yī)用材料制成的假體與周圍骨模量的差異很大，則會(huì)導(dǎo)致假體周圍產(chǎn)生骨吸收應(yīng)力，使假體松動(dòng)，甚至導(dǎo)致患者進(jìn)行痛苦的翻修手術(shù)。這種骨吸收應(yīng)力的現(xiàn)象被稱為“應(yīng)力屏蔽效應(yīng)”。研究人員發(fā)現(xiàn)，多孔結(jié)構(gòu)可以降低材料的模量和重量，從而削減應(yīng)力屏蔽效應(yīng)[75]。SLM 技術(shù)既能有效縮短加工周期，又能實(shí)現(xiàn)精密零件一體化成形，為鈦合金在醫(yī)療領(lǐng)域的發(fā)展提供平臺(tái)。

2018年，華南理工大學(xué)BAI等[76]通過(guò)對(duì)一位骨盆骨折患者的骨盆部位進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了一種針對(duì)性的 Ti-6Al-4V 鈦合金假體接骨板，其設(shè)計(jì)過(guò)程見(jiàn)圖 11(a)，所得的假體硬度為 1360~1390HV，抗拉強(qiáng) 度 為 1000~1100 MPa， 屈 服 強(qiáng) 度 為 900~950MPa，伸長(zhǎng)率為8%~10%。SLM制備的具有個(gè)性化結(jié)構(gòu)的假體成功用于臨床手術(shù)，這不僅使手術(shù)時(shí)長(zhǎng)縮短了 2 h，給患者減輕了痛苦，也為醫(yī)生減輕了負(fù)擔(dān)。除此之外，BAI等[76]還對(duì)一位顱骨骨折患者進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了一種個(gè)性化的 Ti-6Al-4V 鈦合金顱骨假體。為了減小應(yīng)力屏蔽效應(yīng)，他采用了多孔結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)過(guò)程見(jiàn)圖 11(b)。SLM 加工得到的顱骨修復(fù)假體經(jīng)噴砂、超聲清洗、高溫滅菌后可臨床使用。MONDAL 等[77]運(yùn)用 EOSINT-M280 型號(hào)的

SLM 打印機(jī)打印出 3 種類型的 Ti-6Al-4V 鈦合金支架(Tesseract、Star、Octet)，見(jiàn)圖 12。其目標(biāo)結(jié)構(gòu)的孔隙率為 65%，實(shí)驗(yàn)樣品中 Star 型支架孔隙率(64.3%)最接近目標(biāo)結(jié)構(gòu)，其余型號(hào)的支架孔隙率也能保證在62%以上。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)打印出的支架的有效彈性模量與人體骨骼也非常接近。除此之外，打印件的抗壓強(qiáng)度很高，可以延長(zhǎng)植入物的使用壽命。

2020 年初，首批牙科 SLM 鈦合金粉末成功獲批 CFDA 三類醫(yī)療器械注冊(cè)證，標(biāo)志著 3D 打印材料在口腔醫(yī)療領(lǐng)域邁出了重要的一步。這一牙科SLM鈦合金粉末，即“鈦孚美”，填補(bǔ)了該領(lǐng)域的空白，具備多項(xiàng)優(yōu)越的特性：高生物相容性、耐腐蝕、強(qiáng)度卓越、長(zhǎng)期使用也不易發(fā)生變形、材質(zhì)輕巧、佩戴舒適以及異物感極小。同時(shí)，其導(dǎo)熱慢的特點(diǎn)使得其在佩戴時(shí)對(duì)牙齦的熱影響相對(duì)較輕[78]。這次醫(yī)療器械注冊(cè)證的批準(zhǔn)對(duì)口腔醫(yī)療領(lǐng)域3D打印材料的應(yīng)用具有歷史性的重要意義，為患者提供更加個(gè)性化、符合人體工程學(xué)的治療方案提供了有力支持。產(chǎn)品的技術(shù)特性和獲批證書的取得為醫(yī)療行業(yè)帶來(lái)了新的可能，為未來(lái)口腔醫(yī)療的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。隨后，越來(lái)越多企業(yè)開(kāi)啟了對(duì)SLM 鈦合金在口腔醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用的探索，例如：中航邁特增材科技(北京)有限公司自主研發(fā)出 Ti-6Al-4V01 鈦合金粉末[79]、江蘇威拉里新材料科技有限公司自主研發(fā)出微米級(jí)鈦合金粉末(產(chǎn)品名：VMP-Ti01)用于成形牙科嵌體、冠、橋體、可摘局部義齒支架及卡環(huán)[80]。

4、 展望

SLM 技術(shù)能實(shí)現(xiàn)一體化成形，其打印產(chǎn)品的強(qiáng)度高于鍛件，在航空航天(飛機(jī)部件)、生物醫(yī)學(xué)(人造骨骼、牙齒等)領(lǐng)域已獲得廣泛應(yīng)用。本文針對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外 SLM 制備鈦合金的研究成果做出以下展望：

1) SLM成形設(shè)備的尺寸限制了SLM技術(shù)在航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)制造領(lǐng)域的應(yīng)用。目前，航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)零部件成形尺寸小于 500 mm×500 mm×500mm(受打印機(jī)基板尺寸限制)，大尺寸 SLM 成形已成為重要發(fā)展趨勢(shì)，因此大尺寸、高效率的 SLM成形設(shè)備的研制是SLM技術(shù)發(fā)展的主要方向。

2) SLM 鈦合金的應(yīng)用目前僅限于航空航天和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的小批量和高精度定制零件。對(duì)于SLM 鈦合金工業(yè)化來(lái)說(shuō)，其最大的阻礙之一就是成本，昂貴的打印機(jī)和粉末原料造成的高制造成本問(wèn)題仍然有待克服。目前，預(yù)制合金粉末成分范圍窄、成本高以及可用性有限等問(wèn)題有待解決。

3) 目前，大多數(shù)研究都集中在Ti-6Al-4V合金上，對(duì)α鈦合金的開(kāi)發(fā)尚為淺薄，這提醒了研究人員需要通過(guò) SLM 探索更多的工程鈦合金。工業(yè)上使用的典型合金對(duì) SLM 的適應(yīng)性較差，因此，應(yīng)通過(guò)新型成分設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出性能優(yōu)異的新型鈦合金或獨(dú)特的合金體系。

4) 定量分析 SLM 鈦合金方面仍具有很大的挑戰(zhàn)，許多非線性相關(guān)的物理性質(zhì)尚未得到深入定量分析，建議采用超聲波、X射線等熔池在線同步監(jiān)控表征技術(shù)，深入挖掘組織形成機(jī)理以及后處理過(guò)程中誘導(dǎo)各機(jī)制產(chǎn)生的原因。

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