增材制造鈦合金的組織及性能研究進展

增材制造(additive manufacturing,AM)又稱“3D打印”，是一種可以實現小批量復雜幾何形狀零件近凈成形的技術，通過逐層添加材料，直接利用計算機輔助設計（computeraideddesign,CAD）模型生產三維零件，具有設計和制造一體化、加工精度高、周期短、產品物理化學性能優異等特點[-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展[3]。目前,增材制造主要用于制備鋼、鈦合金、高合金、復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、生物醫用材料等領域[7-9]。

鈦合金由于具有比強度高、耐高溫、抗疲勞和抗裂性、優異的耐腐蝕性和良好的生物相容性等特點，被廣泛應用于航空航天、武器裝備、石油化工、海洋工程、生物醫用材料以及能源領域[1]。增材制造鈦合金零部件如圖1所示。為梳理近年來本領域的相關研究現狀，為相關從業人員提供技術參考，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

與傳統的大規模生產方式相比，增材制造可以滿足小批量定制化需求，直接從3DCAD模型生產，沒有轉換成本；以數字文件的形式進行設計，方便共享，方便組件和產品的修改和定制。目前，應用較為廣泛的增材制造技術包括光固化成型工藝（stereo lithography apparatus,SLA)、選擇性激光燒結（selectivelaser sintering，SLS）、三維打印技術（three dimensional printing，3DP）、熔融沉積制造工藝(fused depositionmodeling,FDM)、電弧增材制造(wire and arc additive manufacturing,WAAM)和氣溶膠打印技術(aerosoljet,AJ)等，WAAM是金屬材料領域應用較為廣泛的一種工藝,其原理叫如圖2所示。

1.1 力學性能

為了研究WAAM技術制造的TC11鈦合金在室溫下大應變率范圍內的壓縮力學性能，Tian等進行了準靜態和動態壓縮試驗。在掃描方向和沉積方向上，分別獲得了0.001～4000s-1范圍內的應力起落架擋應變曲線、原始和變形后的微觀結構。結果顯示，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性能差異不大，表現出應變速率強化效應。然門容器 而，在準靜態加載條件下，鈦合金的應變速率敏感性要比動態加載條件下小得多。此外，結合應力-應變曲線和斷裂形態分析，掃描方向的塑性要好于沉積方向。基于試驗結果，提出了考慮應變速率敏感性和應變速率對應變硬化影響的改良型Johnson-Cook蓋板 (JC)構成模型,所得的構成模型與數據吻合良好，可以為WAAM的TC11鈦合金的工程數值計算提供參考。

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變速率(0.001、0.005、0.01s-)和溫度（650700、750℃）下進行了高溫拉伸試驗。結果表明，材料的流動應力與溫度呈負相關，與應變率呈正相關。原始材料中的針狀馬氏體在高溫應力下開始破碎，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的動態再結晶和動態球化。

郭順等[13]研究了TC4與TA2交替沉積的異質層狀鈦合金構件的沉積形貌及力學性能。結果表明，TA2和 TC4區域的主要組織分別為片層α相和α+β的網籃組織/集束組織。層狀結構中TC4區域的硬度明顯高于TA2區域，并沿著沉積方向硬度呈現增加的趨勢。增材構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構，沿著沉積方向具有高的斷裂應變(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β鈦合金Ti-35Nb-7Zr-5Ta。結果表明，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變，同時凝固的晶粒尺寸增加。密度測量表明；當ED為50.0J/mm3時達到了約99.5%的理論密度。當ED為54.8J/mm3時，形成柱狀樹枝狀的亞結構，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，對其各區的組織特征及力學性能進行了分析研究。結果表明：AM-Ti150合金沉積層由α'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；當線能量密度為90J/mm2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：關于增材制造鈦合金力學性能的研究首先集中在顯微組織上。由力學性能的變化趨勢可以反映內部組織的變化規律，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α/β相界面、柱狀β晶界之間的相互作用進行試驗表征和理論分析。結果表明，在近閾值體系中，疲勞裂紋的擴展閾值和阻力隨著片狀α相的增加而增加，而相對于外加應力方向的角度(Φ)隨α板條數量的減少而增加。疲勞開裂的路徑可以在柱狀β晶粒邊界偏轉，偏轉角度越大，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。在實驗室環境中完成了3個應力水平的分組疲勞測試。結果表明，內部孔隙引發的疲勞對Ti-6Al-4V來說是比較常見的。孔隙誘發的裂紋發生機制涉及裂紋和晶間斷裂的混合。孔隙尺寸分類方法得到了定量發展，反過來又闡明了微觀結構、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，FGA應力強度系數范圍△KFGA不是一個材料常數。此外,還討論了影響材料疲勞行為和性能的3個關鍵因素，即應力水平、孔隙大小和孔隙到表面的距離。

Odaka等[18]開發了一種概率性的有限元方法，預測增材制造Ti-6A1-4V卡扣的疲勞壽命變化，以便在制造前的設計階段作為虛擬測試使用。為了預測下限，在預測應力集中的區域假設了一個初始球形缺陷。使用了Smith-Watson-Topper(SWT)方法、Baumel&Seeger規則、彈塑性有限元和縮放有限元進行疲勞壽命預測。該研究表明，假設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，這對制造前的設計很有幫助。

Yasin等[19]研究了兩種增材制造鈦合金Ti-5A1-5V-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。可以看出,對于測試的三個應力水平（400、500和700MPa）,Ti-5553在疲勞破壞的平均逆轉方面略勝于Ti-55511。在大多數情況下，疲勞試樣的裂紋產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，在低循環疲勞制度下（即700MPa),試樣的平均壽命有相當大的差異。在高循環疲勞制度下（即400MPa)，三種材料在平均疲勞壽命方面的表現相似。

試樣疲勞壽命的變化可歸因于試樣中存在的缺陷數量、大小和位置，因為在高循環疲勞中，近表面缺陷可導致局部應力集中。

Konda 等[20]采用K-近鄰算法(K-nearest neighbors,KNN）、決策樹（decision tree,DT）、隨機森林(randomforest,RF）和極端梯度提升（extreme gradientboosting,XGB）算法等四種機器學習（machine learning,ML）算法來分析Ti64合金的疲勞裂紋擴展速率(fatiguecrackgrowthrate,FCGR)。在調整了這些算法的超參數后，發現訓練過的模型對未見過的數據的估計與訓練過的數據一樣好。在訓練和測試階段，根據其平均平方誤差和R2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R2，因此在FCGR預測中更準確。

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將試驗和數學模型算法相結合。疲勞性能的誘發機制是內部萌生細小裂紋，晶粒發生破碎,在不斷的往復載荷作用下材料發生疲勞斷裂。

1.3高溫氧化性能

高溫氧化性能是鈦合金在航空航天發動機應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狀，以及近年來關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手段的研究進展，展望了進一步改善增材制造技術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的Ti-6Al-7Nb合金在800℃下進行氧化，氧化動力學結果證明，與非熱影響帶(heataffectedbands,HABs)相比,具有緊密β板條的HABs具有更強的抗氧化性。β相中富含的Nb元素促進了TisAl在氧化后在β板條的原始位置析出,與β板條的間距相似。緊湊的TisAl在HABs上的形成有利于抑制氧在氧化層/基體界面上的擴散。

鈦合金已經在飛機發動機上得到了廣泛的應用，同時高溫氧化性能是衡量鈦合金發動機性能的重要衡量指標。在發動機高速旋轉的高溫條件下，氧會擴散進入鈦合金表面，嚴重降低其壽命，所以下一步應該持續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，采用干式滑動磨損試驗來研究其綜合磨損行為。結果表明,Ti-6Al-4V合金中形成了高密度的TisAl沉淀物,并且在固溶處理過程中發生了α一→α+β的分解。其磨損形態和磨損機制在很大程度上取決于微觀結構特征、外加載荷和滑動速度。

Sharma等[24]研究了電子束熔煉生產的Ti-6Al4V合金的干滑動磨損行為。磨損試驗結果表明，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β晶粒中存在較粗的α相。

針對鈦合金摩擦磨損性能的研究還稍顯不足，從現有的研究成果看，鈦合金的摩擦磨損性能由內部組織和外部磨損條件以及磨損過程中的產物共同決定,應提高鈦合金組織的均勻性，增加硬質相，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致齲齒。Fan等[25]使用選擇性激光熔化(selectivelasermelting,SLM)技術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。通過逆轉錄-聚合酶鏈反應來分析生物膜相關基因和產酸相關基因的表達。結果表明,Cu2+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。結果表明，TC4-5Cu/TC4合金通過下調生物膜相關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，與商業純鈦的細胞反應相似，證實了制造的Ti-35Nb-7Zr-5Ta作為生物醫學材料的潛力。

生物醫用鈦合金已經得到了廣泛應用，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，下一步應繼續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添加量對微觀結構和性能的影響。隨著Nd的加入，單層試樣的熔池長寬比增加，出現了柱狀向斜面的轉變。與純TC11試樣相比,TC11-1.0Nd的原始β晶粒尺寸和α板寬都明顯減小。研究認為,均勻分布的細小Nd,O3沉淀物（約1.51μm）是在熔池快速凝固過程中優先形成的，它們作為異質形核粒子在隨后的凝固和固態相變中細化了晶粒。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鈦合金微觀結構和力學性能的影響。結果表明，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0.1 μm。這對用增材制造法修復TC17葉片或葉盤具有重要的指導意義。

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，所以在實際應用時應該根據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、力學性能的影響。研究表明,沉積態Ti6321合金組織由不規則的多邊形原始β晶和晶界α相(αGB)組成,晶內分布有厚度不均的α片層和少量β相。經α+β兩相區退火后，α片層內部的位錯密度降低，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。經雙重熱處理后，合金內析出次生α相（αs）,αGB弱化呈斷續分布,Ti6321合金沖擊吸收功最高達到34J。不同熱處理狀態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α、片狀α和轉化β基體組成的微觀結構,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鈦合金的微觀結構和力學性能的影響。結果表明,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的可轉移α'相被分解為α+β板條，而且α/α'相和β相逐漸變粗,導致強度逐漸下降,塑性增加,硬度減小。β相在固溶處理中轉變為α'馬氏體相，而時效處理則誘發了可轉移α'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，通過改變相應的工藝參數可獲得性能優異的鈦合金材料。

2.3激光沖擊強化

激光沖擊強化技術是利用強激光束產生的等離子沖擊波,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,具有非接觸、無熱影響區、可控性強以及強化效果顯著等突出優點。Jiang等[31]研究了激光沖擊強化(lasershockpeening,LSP)對 SLM制備Ti-6Al-4V鈦合金的微觀結構和力學性能，包括殘余應力、拉伸強度、超高周疲勞（ultra-highcyclefatigue,UHCF)強度的影響。結果顯示,LSP可以細化微觀結構，抑制殘余應力，并延遲裂紋在受影響區域的擴展。然而,SLM制備零件的固有缺陷，如未熔化的粉末、缺乏熔合和α相團主導了試樣的疲勞失效,特別是在UHCF制度下,導致其疲勞性能不佳。

同時，經過LSP處理的試樣顯示出比未經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果，也是表面粗糙度增加和非均勻殘余應力的結果。

陳雪鵬等[32]研究了LSP處理對LAM-TC4鈦合金微觀組織、力學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α板條及一定體積分數的板條間β相組成。經LSP處理后，表層組織在高能沖擊波作用下，原始粗大的α板條被破碎細化，形成了大量位錯、形變李晶，導致晶格畸變。LSP處理使LAM-TC4鈦合金的殘余應力由拉應力轉變成壓應力。LSP處理后LAM-TC4鈦合金表面存在最大殘余壓應力（-190MPa），顯微硬度提高了16.5%，且呈現沿深度梯度變化的特征。此外，經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、結語

（1）增材制造鈦合金具有產品精度高、滿足個性化定制化需求、節約生產時間和成本的特點，但同時存在設備要求高、需要氣氛保護和只能生產小型工件的特點。近年來，增材制造技術得到了快速發展，已經被應用于國防、航空航天、醫療器械等領域。但是增材制造技術種類繁多，應根據不同的要求進行針對性選擇。

（2）下一步應持續深人研究增材制造工藝參數對鈦合金組織及性能的影響，通過調整參數控制性能,持續探索合金化、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、激光選區熔化的鋪粉工藝優化、復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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