發(fā)布日期：2025-7-15 16:53:33
增材制造(additive manufacturing,AM)又稱“3D打印”,是一種可以實現(xiàn)小批量復(fù)雜幾何形狀零件近凈成形的技術(shù)，通過逐層添加材料，直接利用計算機輔助設(shè)計(computer aided design,CAD)模型生產(chǎn)三維零件，具有設(shè)計和制造一體化、加工精度高、周期短、產(chǎn)品物理化學(xué)性能優(yōu)異等特點[-2]。近年來，隨著對制造定制化零件需求的不斷增加，推動了增材制造的快速發(fā)展[3]。目前，增材制造主要用于制備鋼、鈦合金、高合金、復(fù)合材料和形狀記憶合金等材料[4],主要用于軌道交通、航空航天、生物醫(yī)用材料等領(lǐng)域[7-9]。
鈦合金由于具有比強度高、耐高溫、抗疲勞和抗裂性、優(yōu)異的耐腐蝕性和良好的生物相容性等特點，被廣泛應(yīng)用于航空航天、武器裝備、石油化工、海洋工程、生物醫(yī)用材料以及能源領(lǐng)域[1]。增材制造鈦合金零部件如圖1所示。為梳理近年來本領(lǐng)域的相關(guān)研究現(xiàn)狀，為相關(guān)從業(yè)人員提供技術(shù)參考，本研究綜述了增材制造鈦合金組織及性能的研究進展，從力學(xué)性能、疲勞性能、高溫氧化性能、摩擦磨損性能以及生物相容性幾個角度進行了梳理，總結(jié)了合金化、熱處理以及激光強化處理對增材制造鈦合金組織及性能的影響。
1、增材制造鈦合金的組織及性能
與傳統(tǒng)的大規(guī)模生產(chǎn)方式相比，增材制造可以滿足小批量定制化需求，直接從3DCAD模型生產(chǎn)，沒有轉(zhuǎn)換成本；以數(shù)字文件的形式進行設(shè)計，方便共享，方便組件和產(chǎn)品的修改和定制。目前，應(yīng)用較為廣泛的增材制造技術(shù)包括光固化成型工藝(stereo lithography apparatus,SLA)、選擇性激光燒結(jié)(selectivelaser sintering,SLS)、三維打印技術(shù)(three dimensional printing,3DP)、熔融沉積制造工藝(fused deposition modeling,FDM)、電弧增材制造(wire and arc additive manufacturing,WAAM)和氣溶膠打印技術(shù)(aerosoljet,AJ)等，WAAM是金屬材料領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的一種工藝，其原理叫如圖2所示。
1.1力學(xué)性能
為了研究WAAM技術(shù)制造的TC11鈦合金在室溫下大應(yīng)變率范圍內(nèi)的壓縮力學(xué)性能，Tian等進行了準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)壓縮試驗。在掃描方向和沉積方向上，分別獲得了范圍內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變曲線、原始和變形后的微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)果顯示，在單軸壓縮試驗中，鈦合金在掃描方向和沉積方向上的力學(xué)性能差異不大，表現(xiàn)出應(yīng)變速率強化效應(yīng)。然而，在準(zhǔn)靜態(tài)加載條件下，鈦合金的應(yīng)變速率敏感性要比動態(tài)加載條件下小得多。此外，結(jié)合應(yīng)力-應(yīng)變曲線和斷裂形態(tài)分析，掃描方向的塑性要好于沉積方向�；谠囼灲Y(jié)果，提出了考慮應(yīng)變速率敏
感性和應(yīng)變速率對應(yīng)變硬化影響的改良型Johnson-Cook(JC)構(gòu)成模型，所得的構(gòu)成模型與數(shù)據(jù)吻合良好，可以為WAAM的TC11鈦合金的工程數(shù)值計算提供參考。
Lv等[2利用激光熔融沉積(LMD)制備了Ti-6Al4V樣品，利用電輔助高溫拉伸試驗在不同的應(yīng)變速率和溫度(650700、750℃)下進行了高溫拉伸試驗。結(jié)果表明，材料的流動應(yīng)力與溫度呈負相關(guān)，與應(yīng)變率呈正相關(guān)。原始材料中的針狀馬氏體在高溫應(yīng)力下開始破碎，使片層變粗(圖3(c)),變形后大角度晶界的比例從81.4%明顯增加到87.5%~90.7%。高溫下沉積的Ti-6A1-4V樣品的微觀變形機制主要是不連續(xù)的動態(tài)再結(jié)晶和動態(tài)球化。疲勞制度下(即400MPa),三種材料在平均疲勞壽命方面的表現(xiàn)相似。試樣疲勞壽命的變化可歸因于試樣中存在的缺陷數(shù)量、大小和位置，因為在高循環(huán)疲勞中，近表面缺陷可導(dǎo)致局部應(yīng)力集中。
郭順等[13]研究了TC4與TA2交替沉積的異質(zhì)層狀鈦合金構(gòu)件的沉積形貌及力學(xué)性能。結(jié)果表明，TA2和TC4區(qū)域的主要組織分別為片層相和α+1555cm-1的網(wǎng)籃組織/集束組織。層狀結(jié)構(gòu)中TC4區(qū)域的硬度明顯高于TA2區(qū)域，并沿著沉積方向硬度呈現(xiàn)增加的趨勢。增材構(gòu)件沿著不同方向具有接近的抗壓強度，近2.0GPa,但是TC4和TA2交替形成的層狀特殊結(jié)構(gòu)，沿著沉積方向具有高的斷裂應(yīng)變(0.33,沿著掃描方向具有高的屈服強度(1133MPa)。
Nadammal等[4]采用4種不同的能量密度(ED)制備了新型骨科1308cm-1鈦合金Ti-35Nb-7Zr-5TaH2BDC結(jié)果表明，制備的零件理論密度均大于98.5%。在較高的ED輸人下，缺陷最小，密度大。在最高的ED輸入下觀察到細胞到柱狀樹枝晶的轉(zhuǎn)變，同時凝固的晶粒尺寸增加。密度測量表明；當(dāng)ED1533cm-1時達到了約99.5%的理論密度。當(dāng)ED為1399cm-1時，形成柱狀樹枝狀的亞結(jié)構(gòu)，獲得了最大的抗拉強度660MPa。在所有制造的零件中都觀察到了25%~30%的高延展性。
李雅迪等[15]對采用不同線能量密度制備的600℃高溫鈦合金AM-Ti150進行了拉伸試驗，對其各區(qū)的組織特征及力學(xué)性能進行了分析研究。結(jié)果表明：AM-Ti150合金沉積層由1247cm-1馬氏體組成，隨著線能量密度的增大，AM-Ti150合金沉積層的缺陷減少、致密度增大、馬氏體片層的寬度增大，試樣室溫及高溫的抗拉強度和伸長率均增大；當(dāng)線能量密度為90[Co(BDC)(bib)]n時，試樣室溫抗拉強度和伸長率分別為1075MPa和4.7%,高溫抗拉強度和伸長率分別為808.7MPa和14.3%。
以上研究表明：關(guān)于增材制造鈦合金力學(xué)性能的研究首先集中在顯微組織上。由力學(xué)性能的變化趨勢可以反映內(nèi)部組織的變化規(guī)律，其中增材制造的熱輸入對組織和性能影響較大。
1.2疲勞性能
Wang等0研究了增材制造TA19合金的疲勞裂紋的生長行為。對疲勞裂紋與不一元相界面、柱狀[Co(BDC)(bib)]n晶界之間的相互作用進行試驗表征和理論分析。結(jié)果表明，在近閾值體系中，疲勞裂紋的擴展閾值和阻力隨著片狀(bib)]相的增加而增加，而相對于外加應(yīng)力方向的角度(100mVs-1隨(Epa)板條數(shù)量的減少而增加。疲勞開裂的路徑可以在柱狀(Epc)晶粒邊界偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度越大，開裂路徑越曲折，疲勞裂紋生長率越低。
Tang等[17分析了Ti-6Al-4V的中周期疲勞(midcyclefatigue,MCF)行為。在實驗室環(huán)境中完成了3個應(yīng)力水平的分組疲勞測試。結(jié)果表明，內(nèi)部孔隙引發(fā)的疲勞對Ti-6Al-4V來說是比較常見的。孔隙誘發(fā)的裂紋發(fā)生機制涉及裂紋和晶間斷裂的混合�？紫冻叽绶诸惙椒ǖ玫搅硕堪l(fā)展，反過來又闡明了微觀結(jié)構(gòu)、孔隙尺寸、疲勞行為和高真空下疲勞裂紋增長階段之間的潛在關(guān)系。對孔隙尺寸和晶粒面積(finegrainarea,FGA)的定量研究表明，在MCF制度下，F(xiàn)GA應(yīng)力強度系數(shù)范圍△(ΔEp=Epa-Epc)不是一個材料常數(shù)。此外，還討論了影響材料疲勞行為和性能的3個關(guān)鍵因素，即應(yīng)力水平、孔隙大小和孔隙到表面的距離。
Odaka等[18]開發(fā)了一種概率性的有限元方法，預(yù)測增材制造Ti-6A1-4V卡扣的疲勞壽命變化，以便在制造前的設(shè)計階段作為虛擬測試使用。為了預(yù)測下限，在預(yù)測應(yīng)力集中的區(qū)域假設(shè)了一個初始球形缺陷。使用了Smith-Watson-Topper(SWT)方法、Baumel&Seeger規(guī)則、彈塑性有限元和縮放有限元進行疲勞壽命預(yù)測。該研究表明，假設(shè)的初始缺陷對疲勞壽命的影響是顯著的，所提出的實用計算方法可以模擬鈦合金扣件疲勞壽命的巨大變異性，這對制造前的設(shè)計很有幫助。
Yasin等[19]研究了兩種增材制造鈦合金Ti-5A15V-5Mo-3Cr(Ti-5553)和Ti-5A1-5Mo-5V-1Cr-1Fe(Ti5551)的疲勞性能。圖4為增材制造鈦合金的疲勞壽命范圍，其中Ti-64為對比試樣�？梢钥闯�，對于測試的三個應(yīng)力水平(400、500和700MPa),Ti-5553在疲勞破壞的平均逆轉(zhuǎn)方面略勝于Ti-55511。在大多數(shù)情況下，疲勞試樣的裂紋產(chǎn)生是由于靠近表面的缺陷。此外，與增材制造Ti-64的疲勞壽命相比，在低循環(huán)疲勞制度下(即700MPa),試樣的平均壽命有相當(dāng)大的差異。在高循環(huán)疲勞制度下(即400MPa),三種材料在平均疲勞壽命方面的表現(xiàn)相似。試樣疲勞壽命的變化可歸因于試樣中存在的缺陷數(shù)量、大小和位置，因為在高循環(huán)疲勞中，近表面缺陷可導(dǎo)致局部應(yīng)力集中。
Konda等[20]采用K-近鄰算法(K-nearestneighbors,KNN)、決策樹(decisiontree,DT)、隨機森林(randomforest,RF)和極端梯度提升(extremegradientboosting,XGB)算法等四種機器學(xué)習(xí)(machine learning,ML)算法來分析Ti64合金的疲勞裂紋擴展速率(fatiguecrackgrowthrate,FCGR)。在調(diào)整了這些算法的超參數(shù)后，發(fā)現(xiàn)訓(xùn)練過的模型對未見過的數(shù)據(jù)的估計與訓(xùn)練過的數(shù)據(jù)一樣好。在訓(xùn)練和測試階段，根據(jù)其平均平方誤差和對四個測試的ML模型進行了相互比較。與其他模型相比，XGB算法具有最小的均平方誤差和更高的，因此在FCGR預(yù)測中更準(zhǔn)確。
提高疲勞性能對于提高鈦合金部件的使用壽命具有重要意義。綜上，對于鈦合金疲勞性能的研究已經(jīng)將試驗和數(shù)學(xué)模型算法相結(jié)合。疲勞性能的誘發(fā)機制是內(nèi)部萌生細小裂紋，晶粒發(fā)生破碎，在不斷的往復(fù)載荷作用下材料發(fā)生疲勞斷裂。
1.3高溫氧化性能
高溫氧化性能是鈦合金在航空航天發(fā)動機應(yīng)用上最為重要的性能，直接決定著服役的安全性。張利等[21]介紹了耐熱鈦合金和增材制造鈦合金的抗氧化性能研究現(xiàn)狀，以及近年來關(guān)于提高鈦合金抗高溫氧化性能的合金化和表面改性等技術(shù)手段的研究進展，展望了進一步改善增材制造技術(shù)制備鈦合金的抗高溫氧化性能的研究方向。Fu等[22]對電弧增材制造法生產(chǎn)的Ti-6Al-7Nb合金在800℃下進行氧化，氧化動力學(xué)結(jié)果證明，與非熱影響帶(heataffectedbands,HABs)相比，具有緊密板條的HABs具有更強的抗氧化性。相中富含的Nb元素促進了在氧化后在板條的原始位置析出，與板條的間距相似。緊湊的在HABs上的形成有利于抑制氧在氧化層/基體界面上的擴散。
鈦合金已經(jīng)在飛機發(fā)動機上得到了廣泛的應(yīng)用，同時高溫氧化性能是衡量鈦合金發(fā)動機性能的重要衡量指標(biāo)。在發(fā)動機高速旋轉(zhuǎn)的高溫條件下，氧會擴散進入鈦合金表面，嚴重降低其壽命，所以下一步應(yīng)該持續(xù)研究鈦合金的抗高溫氧化性能。
1.4摩擦磨損性能
Su等[23]對增材制造Ti-6Al-4V合金進行了直接時效和固溶時效處理，以提高其摩擦性能。在正常載荷(2.5~40N)和滑動速度(50~800r/min)范圍內(nèi)，采用干式滑動磨損試驗來研究其綜合磨損行為。結(jié)果表明，Ti-6Al-4V合金中形成了高密度的沉淀物，并且在固溶處理過程中發(fā)生了的分解。其磨損形態(tài)和磨損機制在很大程度上取決于微觀結(jié)構(gòu)特征、外加載荷和滑動速度。
Sharma等[24]研究了電子束熔煉生產(chǎn)的Ti-6Al4V合金的干滑動磨損行為。磨損試驗結(jié)果表明，熱處理后進行水淬的試樣磨損失重量最低，耐磨性最好。熱處理后爐冷試樣的磨損失重量最大，這是因為爐冷樣品的晶粒中存在較粗的相。
針對鈦合金摩擦磨損性能的研究還稍顯不足，從現(xiàn)有的研究成果看，鈦合金的摩擦磨損性能由內(nèi)部組織和外部磨損條件以及磨損過程中的產(chǎn)物共同決定，應(yīng)提高鈦合金組織的均勻性，增加硬質(zhì)相，通過熱處理工藝提高其硬度，并改善外部工況。
1.5生物相容性
突變鏈球菌是最常見的致齲菌，通過形成生物膜而導(dǎo)致齲齒。Fan等[25]使用選擇性激光熔化(selectivelasermelting,SLM)技術(shù)制造了一種新型梯度含銅鈦合金(TC4-5Cu/TC4),用于牙科。在這項研究中，測試了最小抑菌濃度(minimuminhibitoryconcentration,MIC)和最小殺菌濃度(minimum bactericidalconcentration,MBC)中銅離子的釋放濃度，以評估該合金對突變鏈球菌的抗菌性能，并通過定量抗菌試驗和生物膜測定，評估了TC4-5Cu/TC4合金對突變鏈球菌的抗菌和抗生物膜效率。通過逆轉(zhuǎn)錄-聚合酶鏈反應(yīng)來分析生物膜相關(guān)基因和產(chǎn)酸相關(guān)基因的表達。結(jié)果表明，的MIC和MBC遠高于合金的銅離子釋放濃度，這與對突變鏈球菌缺乏抗菌作用相一致。相反，TC4-5Cu/TC4合金對細菌表現(xiàn)出明顯的殺菌性和高效的生物膜抑制能力，本研究中檢測到的所有基因均被下調(diào)。結(jié)果表明，TC4-5Cu/TC4合金通過下調(diào)生物膜相關(guān)基因來抑制生物膜的形成和細菌的生存能力。
Nadammal等[14]通過對Ti-35Nb-7Zr-5Ta合金的體外細胞相容性的評估表明，成骨細胞在制造的樣品上有良好的附著和增殖，與商業(yè)純鈦的細胞反應(yīng)相似，證實了制造的Ti-35Nb-7Zr-5Ta作為生物醫(yī)學(xué)材料的潛力。
生物醫(yī)用鈦合金已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，但是生物相容性是面臨的客觀難題。由于生物體的排異機制，影響生物相容性的因素較多，目前的研究是通過控制某一種或幾種細菌來研究其生物相容性，下一步應(yīng)繼續(xù)探索多因素耦合作用對鈦合金生物相容性的影響。
2、不同處理方式的影響
2.1合金化
Yan等[2]對TC11合金進行了不同Nd添加量的單層和多層激光增材制造(laseradditivemanufacturing,LAM),研究了Nd添加量對微觀結(jié)構(gòu)和性能的影響。隨著Nd的加入，單層
試樣的熔池長寬比增加，出現(xiàn)了柱狀向斜面的轉(zhuǎn)變。與純TC11試樣相比，TC11-1.0Nd的原始β晶粒尺寸和板寬都明顯減小。研究認為，均勻分布的細小Nd₂O₃沉淀物(約1.51μm)是在熔池快速凝固過程中優(yōu)先形成的，它們作為異質(zhì)形核粒子在隨后的凝固和固態(tài)相變中細化了晶粒。與純TC11相比，TC11-1.0Nd的極限拉伸強度增加，而屈服強度、延展性和硬度下降。
Zhuo等[27]研究了Sn和Cr對TC17鈦合金微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，添加2%的Sn后，形成了穿越多個沉積層的外延生長β柱狀晶粒。添加Cr后，大的拉長的β柱狀晶粒被抑制，形成了等軸晶粒。加人2%Sn和4%Cr,初級α相明顯細化，長度不超過2μm,寬度不超過0.1μm。這對用增材制造法修復(fù)TC17葉片或葉盤具有重要的指導(dǎo)意義。
綜上，添加Nd、Sn和Cr合金元素對鈦合金的確起到了細化晶粒、提高性能的作用，但并不是所有的性能都得到了提高，所以在實際應(yīng)用時應(yīng)該根據(jù)使用范圍和服役條件具體分析。
2.2熱處理
張帥鋒等[28]研究了熱處理對Ti6321合金顯微組織、力學(xué)性能的影響。研究表明，沉積態(tài)Ti6321合金組織由不規(guī)則的多邊形原始β晶和晶界α相(α_{C1~B})組成，晶內(nèi)分布有厚度不均的α片層和少量β相。經(jīng)α+β兩相區(qū)退火后，片層內(nèi)部的位錯密度降低，其中，700℃退火后強度和沖擊吸收功均有所降低，800℃退火后沖擊吸收功提高，且強度達到1050MPa以上。經(jīng)雙重?zé)崽幚砗�，合金�?nèi)析出次生α相(αₛ)GB弱化呈斷續(xù)分布，Ti6321合金沖擊吸收功最高達到34J。不同熱處理狀態(tài)下的沖擊斷口均有大量韌窩，為典型的韌性斷裂。
Zhang等[29]指出Ti-6.5A1-2Zr-1Mo-1V(TA15)合金通過多次退火熱處理，可以有效地引人由等軸、片狀α和轉(zhuǎn)化β基體組成的微觀結(jié)構(gòu)，延展性得到了明顯改善，保持了理想的高強度，并達到與鍛造同類產(chǎn)品相媲美的拉伸性能。
Liu等30詳細研究了熱處理對SLM成形TC4鈦合金的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，SLM成形TC4鈦合金中存在大量的針狀α/α'和β相。隨著時效處理溫度的提高，SLM成形TC4的可轉(zhuǎn)移α'相被分解為α+β板條，而且α/α'相和β相逐漸變粗，導(dǎo)致強度逐漸下降，塑性增加，硬度減小。
β相在固溶處理中轉(zhuǎn)變?yōu)?alpha;'馬氏體相，而時效處理則誘發(fā)了可轉(zhuǎn)移相分解為α+β板條。SLM成形TC4合金的強度和硬度隨著固溶溫度的升高而增加。TC4鈦合金在960℃下保溫1h后進行水淬，然后在600℃下保溫8h后進行空冷，可以獲得最佳的力學(xué)性能。
綜上所述，利用熱處理工藝對鈦合金進行處理是一種簡單高效的途徑，通過改變相應(yīng)的工藝參數(shù)可獲得性能優(yōu)異的鈦合金材料。
2.3激光沖擊強化
激光沖擊強化技術(shù)是利用強激光束產(chǎn)生的等離子沖擊波，提高金屬材料的抗疲勞、耐磨損和抗腐蝕能力的一種高新技術(shù)，具有非接觸、無熱影響區(qū)、可控性強以及強化效果顯著等突出優(yōu)點。Jiang等[31]研究了激光沖擊強化(lasershockpeening,LSP)對SLM制備Ti-6Al-4V鈦合金的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，包括殘余應(yīng)力、拉伸強度、超高周疲勞(ultra-highcyclefatigue,UHCF)強度的影響。結(jié)果顯示，LSP可以細化微觀結(jié)構(gòu)，抑制殘余應(yīng)力，并延遲裂紋在受影響區(qū)域的擴展。然而，SLM制備零件的固有缺陷，如未熔化的粉
末、缺乏熔合和C相團主導(dǎo)了試樣的疲勞失效，特別是在UHCF制度下，導(dǎo)致其疲勞性能不佳。同時，經(jīng)過LSP處理的試樣顯示出比未經(jīng)LSP處理的試樣更低的S-N曲線，特別是在UHCF制度下，這不僅是固有缺陷的結(jié)果，也是表面粗糙度增加和非均勻殘余應(yīng)力的結(jié)果。
陳雪鵬等[32]研究了LSP處理對LAM-TC4鈦合金微觀組織、力學(xué)性能和斷口形貌的影響。LAM-TC4鈦合金原始組織由大量粗大的板條及一定體積分數(shù)的板條間β相組成。經(jīng)LSP處理后，表層組織在高能沖擊波作用下，原始粗大的100板條被破碎細化，形成了大量位錯、形變李晶，導(dǎo)致晶格畸變。LSP處理使LAM-TC4鈦合金的殘余應(yīng)力由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變成壓應(yīng)力。LSP處理后LAM-TC4鈦合金表面存在最大殘余壓應(yīng)力(-190MPa),顯微硬度提高了16.5%,且呈現(xiàn)沿深度梯度變化的特征。此外，經(jīng)LSP處理后LAM-TC4鈦合金的屈服強度和抗拉強度與原始樣相比分別提高了46.3%32.3%,塑性基本維持不變。LSP處理可使LAM-TC4鈦合金獲得更好的強度和塑性匹配
3、結(jié)語
(1)增材制造鈦合金具有產(chǎn)品精度高、滿足個性化定制化需求、節(jié)約生產(chǎn)時間和成本的特點，但同時存在設(shè)備要求高、需要氣氛保護和只能生產(chǎn)小型工件的特點。近年來，增材制造技術(shù)得到了快速發(fā)展，已經(jīng)被應(yīng)用于國防、航空航天、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。但是增材制造技術(shù)種類繁多，應(yīng)根據(jù)不同的要求進行針對性選擇。
(2)下一步應(yīng)持續(xù)深人研究增材制造工藝參數(shù)對鈦合金組織及性能的影響，通過調(diào)整參數(shù)控制性能，持續(xù)探索合金化、熱處理和表面強化處理對增材制造鈦合金組織及性能的影響。針對鈦合金的增材制造，應(yīng)著重研究激光束與送粉的角度和距離對鈦合金件組織與性能的影響、激光選區(qū)熔化的鋪粉工藝優(yōu)化、復(fù)雜薄壁零部件的成型工藝、控制精度和表面粗糙度等。
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