增材制造钛合金的组织及性能研究进展

增材制造(additive manufacturing,AM)又称“3D打印”，是一种可以实现小批量复杂几何形状零件近净成形的技术，通过逐层添加材料，直接利用计算机辅助设计（computeraideddesign,CAD）模型生产三维零件，具有设计和制造一体化、加工精度高、周期短、产品物理化学性能优异等特点[-2]。近年来,随着对制造定制化零件需求的不断增加，推动了增材制造的快速发展[3]。目前,增材制造主要用于制备钢、钛合金、高合金、复合材料和形状记忆合金等材料[4],主要用于轨道交通、航空航天、生物医用材料等领域[7-9]。

钛合金由于具有比强度高、耐高温、抗疲劳和抗裂性、优异的耐腐蚀性和良好的生物相容性等特点，被广泛应用于航空航天、武器装备、石油化工、海洋工程、生物医用材料以及能源领域[1]。增材制造钛合金零部件如图1所示。为梳理近年来本领域的相关研究现状，为相关从业人员提供技术参考，本研究综述了增材制造钛合金组织及性能的研究进展，从力学性能、疲劳性能、高温氧化性能、摩擦磨损性能以及生物相容性几个角度进行了梳理，总结了合金化、热处理以及激光强化处理对增材制造钛合金组织及性能的影响。

1、增材制造钛合金的组织及性能

与传统的大规模生产方式相比，增材制造可以满足小批量定制化需求，直接从3DCAD模型生产，没有转换成本；以数字文件的形式进行设计，方便共享，方便组件和产品的修改和定制。目前，应用较为广泛的增材制造技术包括光固化成型工艺（stereo lithography apparatus,SLA)、选择性激光烧结（selectivelaser sintering，SLS）、三维打印技术（three dimensional printing，3DP）、熔融沉积制造工艺(fused depositionmodeling,FDM)、电弧增材制造(wire and arc additive manufacturing,WAAM)和气溶胶打印技术(aerosoljet,AJ)等，WAAM是金属材料领域应用较为广泛的一种工艺,其原理叫如图2所示。

1.1 力学性能

为了研究WAAM技术制造的TC11钛合金在室温下大应变率范围内的压缩力学性能，Tian等进行了准静态和动态压缩试验。在扫描方向和沉积方向上，分别获得了0.001～4000s-1范围内的应力起落架挡应变曲线、原始和变形后的微观结构。结果显示，在单轴压缩试验中，钛合金在扫描方向和沉积方向上的力学性能差异不大，表现出应变速率强化效应。然门容器 而，在准静态加载条件下，钛合金的应变速率敏感性要比动态加载条件下小得多。此外，结合应力-应变曲线和断裂形态分析，扫描方向的塑性要好于沉积方向。基于试验结果，提出了考虑应变速率敏感性和应变速率对应变硬化影响的改良型Johnson-Cook盖板 (JC)构成模型,所得的构成模型与数据吻合良好，可以为WAAM的TC11钛合金的工程数值计算提供参考。

Lv等[2利用激光熔融沉积(LMD)制备了Ti-6Al4V样品，利用电辅助高温拉伸试验在不同的应变速率(0.001、0.005、0.01s-)和温度（650700、750℃）下进行了高温拉伸试验。结果表明，材料的流动应力与温度呈负相关，与应变率呈正相关。原始材料中的针状马氏体在高温应力下开始破碎，使片层变粗（图3(c)),变形后大角度晶界的比例从81.4%明显增加到87.5%～90.7%。高温下沉积的Ti-6A1-4V样品的微观变形机制主要是不连续的动态再结晶和动态球化。

郭顺等[13]研究了TC4与TA2交替沉积的异质层状钛合金构件的沉积形貌及力学性能。结果表明，TA2和 TC4区域的主要组织分别为片层α相和α+β的网篮组织/集束组织。层状结构中TC4区域的硬度明显高于TA2区域，并沿着沉积方向硬度呈现增加的趋势。增材构件沿着不同方向具有接近的抗压强度,近2.0GPa,但是 TC4和TA2交替形成的层状特殊结构，沿着沉积方向具有高的断裂应变(0.33，沿着扫描方向具有高的屈服强度1133MPa)。

Nadammal等[4]采用4种不同的能量密度(ED)制备了新型骨科β钛合金Ti-35Nb-7Zr-5Ta。结果表明，制备的零件理论密度均大于98.5%。在较高的ED输人下，缺陷最小，密度大。在最高的ED输入下观察到细胞到柱状树枝晶的转变，同时凝固的晶粒尺寸增加。密度测量表明；当ED为50.0J/mm3时达到了约99.5%的理论密度。当ED为54.8J/mm3时，形成柱状树枝状的亚结构，获得了最大的抗拉强度660MPa。在所有制造的零件中都观察到了25%～30%的高延展性。

李雅迪等[15]对采用不同线能量密度制备的600℃高温钛合金AM-Ti150进行了拉伸试验，对其各区的组织特征及力学性能进行了分析研究。结果表明：AM-Ti150合金沉积层由α'马氏体组成，随着线能量密度的增大，AM-Ti150合金沉积层的缺陷减少、致密度增大、马氏体片层的宽度增大，试样室温及高温的抗拉强度和伸长率均增大；当线能量密度为90J/mm²时，试样室温抗拉强度和伸长率分别为1075MPa和4.7%，高温抗拉强度和伸长率分别为808.7MPa 和 14.3%。

以上研究表明：关于增材制造钛合金力学性能的研究首先集中在显微组织上。由力学性能的变化趋势可以反映内部组织的变化规律，其中增材制造的热输入对组织和性能影响较大。

1.2 疲劳性能

Wang等0研究了增材制造TA19合金的疲劳裂纹的生长行为。对疲劳裂纹与α/β相界面、柱状β晶界之间的相互作用进行试验表征和理论分析。结果表明，在近阈值体系中，疲劳裂纹的扩展阈值和阻力随着片状α相的增加而增加，而相对于外加应力方向的角度(Φ)随α板条数量的减少而增加。疲劳开裂的路径可以在柱状β晶粒边界偏转，偏转角度越大，开裂路径越曲折，疲劳裂纹生长率越低。

Tang 等[17分析了Ti-6Al-4V的中周期疲劳(midcyclefatigue,MCF)行为。在实验室环境中完成了3个应力水平的分组疲劳测试。结果表明，内部孔隙引发的疲劳对Ti-6Al-4V来说是比较常见的。孔隙诱发的裂纹发生机制涉及裂纹和晶间断裂的混合。孔隙尺寸分类方法得到了定量发展，反过来又阐明了微观结构、孔隙尺寸、疲劳行为和高真空下疲劳裂纹增长阶段之间的潜在关系。对孔隙尺寸和晶粒面积(finegrainarea,FGA)的定量研究表明,在MCF制度下，FGA应力强度系数范围△KFGA不是一个材料常数。此外,还讨论了影响材料疲劳行为和性能的3个关键因素，即应力水平、孔隙大小和孔隙到表面的距离。

Odaka等[18]开发了一种概率性的有限元方法，预测增材制造Ti-6A1-4V卡扣的疲劳寿命变化，以便在制造前的设计阶段作为虚拟测试使用。为了预测下限，在预测应力集中的区域假设了一个初始球形缺陷。使用了Smith-Watson-Topper(SWT)方法、Baumel&Seeger规则、弹塑性有限元和缩放有限元进行疲劳寿命预测。该研究表明，假设的初始缺陷对疲劳寿命的影响是显著的，所提出的实用计算方法可以模拟钛合金扣件疲劳寿命的巨大变异性，这对制造前的设计很有帮助。

Yasin等[19]研究了两种增材制造钛合金Ti-5A1-5V-5Mo-3Cr(Ti-5553)和Ti-5A1-5Mo-5V-1Cr-1Fe(Ti5551)的疲劳性能。图4为增材制造钛合金的疲劳寿命范围,其中Ti-64为对比试样。可以看出,对于测试的三个应力水平（400、500和700MPa）,Ti-5553在疲劳破坏的平均逆转方面略胜于Ti-55511。在大多数情况下，疲劳试样的裂纹产生是由于靠近表面的缺陷。此外，与增材制造Ti-64的疲劳寿命相比，在低循环疲劳制度下（即700MPa),试样的平均寿命有相当大的差异。在高循环疲劳制度下（即400MPa)，三种材料在平均疲劳寿命方面的表现相似。

试样疲劳寿命的变化可归因于试样中存在的缺陷数量、大小和位置，因为在高循环疲劳中，近表面缺陷可导致局部应力集中。

Konda 等[20]采用K-近邻算法(K-nearest neighbors,KNN）、决策树（decision tree,DT）、随机森林(randomforest,RF）和极端梯度提升（extreme gradientboosting,XGB）算法等四种机器学习（machine learning,ML）算法来分析Ti64合金的疲劳裂纹扩展速率(fatiguecrackgrowthrate,FCGR)。在调整了这些算法的超参数后，发现训练过的模型对未见过的数据的估计与训练过的数据一样好。在训练和测试阶段，根据其平均平方误差和R²对四个测试的ML模型进行了相互比较。与其他模型相比,XGB算法具有最小的均平方误差和更高的R²，因此在FCGR预测中更准确。

提高疲劳性能对于提高钛合金部件的使用寿命具有重要意义。综上，对于钛合金疲劳性能的研究已经将试验和数学模型算法相结合。疲劳性能的诱发机制是内部萌生细小裂纹，晶粒发生破碎,在不断的往复载荷作用下材料发生疲劳断裂。

1.3高温氧化性能

高温氧化性能是钛合金在航空航天发动机应用上最为重要的性能,直接决定着服役的安全性。张利等[21]介绍了耐热钛合金和增材制造钛合金的抗氧化性能研究现状，以及近年来关于提高钛合金抗高温氧化性能的合金化和表面改性等技术手段的研究进展，展望了进一步改善增材制造技术制备钛合金的抗高温氧化性能的研究方向。

Fu等[22]对电弧增材制造法生产的Ti-6Al-7Nb合金在800℃下进行氧化，氧化动力学结果证明，与非热影响带(heataffectedbands,HABs)相比,具有紧密β板条的HABs具有更强的抗氧化性。β相中富含的Nb元素促进了TisAl在氧化后在β板条的原始位置析出,与β板条的间距相似。紧凑的TisAl在HABs上的形成有利于抑制氧在氧化层/基体界面上的扩散。

钛合金已经在飞机发动机上得到了广泛的应用，同时高温氧化性能是衡量钛合金发动机性能的重要衡量指标。在发动机高速旋转的高温条件下，氧会扩散进入钛合金表面，严重降低其寿命，所以下一步应该持续研究钛合金的抗高温氧化性能。

1.4摩擦磨损性能

Su等[23]对增材制造Ti-6Al-4V合金进行了直接时效和固溶时效处理,以提高其摩擦性能。在正常载荷(2.5～40N)和滑动速度(50～800r/min)范围内，采用干式滑动磨损试验来研究其综合磨损行为。结果表明,Ti-6Al-4V合金中形成了高密度的TisAl沉淀物,并且在固溶处理过程中发生了α一→α+β的分解。其磨损形态和磨损机制在很大程度上取决于微观结构特征、外加载荷和滑动速度。

Sharma等[24]研究了电子束熔炼生产的Ti-6Al4V合金的干滑动磨损行为。磨损试验结果表明，热处理后进行水淬的试样磨损失重量最低，耐磨性最好。热处理后炉冷试样的磨损失重量最大，这是因为炉冷样品的β晶粒中存在较粗的α相。

针对钛合金摩擦磨损性能的研究还稍显不足，从现有的研究成果看，钛合金的摩擦磨损性能由内部组织和外部磨损条件以及磨损过程中的产物共同决定,应提高钛合金组织的均匀性，增加硬质相，通过热处理工艺提高其硬度，并改善外部工况。

1.5生物相容性

突变链球菌是最常见的致龋菌，通过形成生物膜而导致龋齿。Fan等[25]使用选择性激光熔化(selectivelasermelting,SLM)技术制造了一种新型梯度含铜钛合金（TC4-5Cu/TC4）,用于牙科。在这项研究中，测试了最小抑菌浓度（minimuminhibitoryconcentration,MIC)和最小杀菌浓度（minimum

bactericidalconcentration,MBC）中铜离子的释放浓度，以评估该合金对突变链球菌的抗菌性能，并通过定量抗菌试验和生物膜测定,评估了TC4-5Cu/TC4合金对突变链球菌的抗菌和抗生物膜效率。通过逆转录-聚合酶链反应来分析生物膜相关基因和产酸相关基因的表达。结果表明,Cu2+的MIC 和 MBC 远高于合金的铜离子释放浓度，这与对突变链球菌缺乏抗菌作用相一致。相反,TC4-5Cu/TC4合金对细菌表现出明显的杀菌性和高效的生物膜抑制能力，本研究中检测到的所有基因均被下调。结果表明，TC4-5Cu/TC4合金通过下调生物膜相关基因来抑制生物膜的形成和细菌的生存能力。

Nadammal等[14]通过对Ti-35Nb-7Zr-5Ta合金的体外细胞相容性的评估表明，成骨细胞在制造的样品上有良好的附着和增殖，与商业纯钛的细胞反应相似，证实了制造的Ti-35Nb-7Zr-5Ta作为生物医学材料的潜力。

生物医用钛合金已经得到了广泛应用，但是生物相容性是面临的客观难题。由于生物体的排异机制,影响生物相容性的因素较多，目前的研究是通过控制某一种或几种细菌来研究其生物相容性，下一步应继续探索多因素耦合作用对钛合金生物相容性的影响。

2、不同处理方式的影响

2.1合金化

Yan等[2]对TC11 合金进行了不同Nd添加量 的单层和多层激光增材制造（laseradditivemanufacturing,LAM),研究了Nd添加量对微观结构和性能的影响。随着Nd的加入，单层试样的熔池长宽比增加，出现了柱状向斜面的转变。与纯TC11试样相比,TC11-1.0Nd的原始β晶粒尺寸和α板宽都明显减小。研究认为,均匀分布的细小Nd,O3沉淀物（约1.51μm）是在熔池快速凝固过程中优先形成的，它们作为异质形核粒子在随后的凝固和固态相变中细化了晶粒。与纯TC11相比,TC11-1.0Nd的极限拉伸强度增加,而屈服强度、延展性和硬度下降。

Zhuo等[27]研究了Sn和Cr对TC17钛合金微观结构和力学性能的影响。结果表明，添加2%的Sn后，形成了穿越多个沉积层的外延生长β柱状晶粒。添加Cr后,大的拉长的β柱状晶粒被抑制,形成了等轴晶粒。加人2%Sn和4%Cr,初级α相明显细化,长度不超过2μm,宽度不超过0.1 μm。这对用增材制造法修复TC17叶片或叶盘具有重要的指导意义。

综上，添加Nd、Sn和Cr合金元素对钛合金的确起到了细化晶粒、提高性能的作用，但并不是所有的性能都得到了提高，所以在实际应用时应该根据使用范围和服役条件具体分析。

2.2热处理

张帅锋等[28]研究了热处理对Ti6321合金显微组织、力学性能的影响。研究表明,沉积态Ti6321合金组织由不规则的多边形原始β晶和晶界α相(αGB)组成,晶内分布有厚度不均的α片层和少量β相。经α+β两相区退火后，α片层内部的位错密度降低，其中,700℃退火后强度和冲击吸收功均有所降低,800℃退火后冲击吸收功提高，且强度达到1050MPa以上。经双重热处理后，合金内析出次生α相（αs）,αGB弱化呈断续分布,Ti6321合金冲击吸收功最高达到34J。不同热处理状态下的冲击断口均有大量韧窝，为典型的韧性断裂。

Zhang 等[29] 指出 Ti-6.5A1-2Zr-1Mo-1V(TA15)合金通过多次退火热处理，可以有效地引人由等轴α、片状α和转化β基体组成的微观结构,延展性得到了明显改善，保持了理想的高强度，并达到与锻造同类产品相媲美的拉伸性能。

Liu等30详细研究了热处理对SLM成形TC4钛合金的微观结构和力学性能的影响。结果表明,SLM成形TC4钛合金中存在大量的针状α/α'和β相。随着时效处理温度的提高,SLM成形TC4的可转移α'相被分解为α+β板条，而且α/α'相和β相逐渐变粗,导致强度逐渐下降,塑性增加,硬度减小。β相在固溶处理中转变为α'马氏体相，而时效处理则诱发了可转移α'相分解为α+β板条。SLM成形TC4合金的强度和硬度随着固溶温度的升高而增加。

TC4钛合金在960℃下保温1h后进行水淬，然后在600℃下保温8h后进行空冷，可以获得最佳的力学性能。

综上所述，利用热处理工艺对钛合金进行处理是一种简单高效的途径，通过改变相应的工艺参数可获得性能优异的钛合金材料。

2.3激光冲击强化

激光冲击强化技术是利用强激光束产生的等离子冲击波,提高金属材料的抗疲劳、耐磨损和抗腐蚀能力的一种高新技术,具有非接触、无热影响区、可控性强以及强化效果显著等突出优点。Jiang等[31]研究了激光冲击强化(lasershockpeening,LSP)对 SLM制备Ti-6Al-4V钛合金的微观结构和力学性能，包括残余应力、拉伸强度、超高周疲劳（ultra-highcyclefatigue,UHCF)强度的影响。结果显示,LSP可以细化微观结构，抑制残余应力，并延迟裂纹在受影响区域的扩展。然而,SLM制备零件的固有缺陷，如未熔化的粉末、缺乏熔合和α相团主导了试样的疲劳失效,特别是在UHCF制度下,导致其疲劳性能不佳。

同时，经过LSP处理的试样显示出比未经LSP处理的试样更低的S-N曲线，特别是在UHCF制度下，这不仅是固有缺陷的结果，也是表面粗糙度增加和非均匀残余应力的结果。

陈雪鹏等[32]研究了LSP处理对LAM-TC4钛合金微观组织、力学性能和断口形貌的影响。LAM-TC4钛合金原始组织由大量粗大的α板条及一定体积分数的板条间β相组成。经LSP处理后，表层组织在高能冲击波作用下，原始粗大的α板条被破碎细化，形成了大量位错、形变李晶，导致晶格畸变。LSP处理使LAM-TC4钛合金的残余应力由拉应力转变成压应力。LSP处理后LAM-TC4钛合金表面存在最大残余压应力（-190MPa），显微硬度提高了16.5%，且呈现沿深度梯度变化的特征。此外，经LSP处理后LAM-TC4钛合金的屈服强度和抗拉强度与原始样相比分别提高了46.3%32.3%，塑性基本维持不变。LSP处理可使LAM-TC4钛合金获得更好的强度和塑性匹配。

3、结语

（1）增材制造钛合金具有产品精度高、满足个性化定制化需求、节约生产时间和成本的特点，但同时存在设备要求高、需要气氛保护和只能生产小型工件的特点。近年来，增材制造技术得到了快速发展，已经被应用于国防、航空航天、医疗器械等领域。但是增材制造技术种类繁多，应根据不同的要求进行针对性选择。

（2）下一步应持续深人研究增材制造工艺参数对钛合金组织及性能的影响，通过调整参数控制性能,持续探索合金化、热处理和表面强化处理对增材制造钛合金组织及性能的影响。针对钛合金的增材制造，应着重研究激光束与送粉的角度和距离对钛合金件组织与性能的影响、激光选区熔化的铺粉工艺优化、复杂薄壁零部件的成型工艺、控制精度和表面粗糙度等。

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