Rare Metals 新加坡制造技術(shù)研究院: 激光增材制造鈦合金的工藝、材料與后處理研究進展

來源：稀有金屬RareMetals

鈦合金激光增材制造（LAM）技術(shù)已經(jīng)成為一項具有廣泛潛力的革命性技術(shù)，并對多個行業(yè)產(chǎn)生重大影響。為了概述LAM鈦合金的最新發(fā)展，本文對兩種關(guān)鍵LAM技術(shù)（即粉床激光熔融和激光定向能量沉積）制備的鈦合金進行了系統(tǒng)回顧，涵蓋工藝、材料和后處理等方面。論文闡明了鈦合金LAM各工藝參數(shù)的影響以及優(yōu)化工藝參數(shù)的策略。此外，從顯微組織和性能的角度概述了LAM加工的各類型鈦合金，包括α-Ti，(α+β)-Ti和β-Ti合金。此外，還系統(tǒng)地回顧和討論了用于改善LAM鈦合金性能的后處理方法，包括傳統(tǒng)和新型熱處理、熱等靜壓以及先進表面處理工藝（如超聲和激光噴丸）。本綜述總結(jié)了LAM工藝窗口、各類鈦合金組織特性和性能范圍，并對LAM鈦合金的發(fā)展趨勢進行了展望。本論文可為研究人員和從業(yè)人員提供重要參考，并促進LAM鈦合金及其應(yīng)用的進一步發(fā)展。

【文章亮點】
1.綜述了鈦合金激光增材制造（LAM）中關(guān)鍵工藝參數(shù)對組織性能的影響。
2.總結(jié)了各類型LAM鈦合金的工藝窗口和力學(xué)性能。
3.討論了LAM鈦合金的傳統(tǒng)和先進后處理技術(shù)。
4.展望了LAM鈦合金在參數(shù)優(yōu)化、工藝整合和材料創(chuàng)新方面的發(fā)展趨勢。

【內(nèi)容簡介】
日前，新加坡制造技術(shù)研究院、湖南大學(xué)、德國航空航天中心、南方科技大學(xué)、加利福尼亞大學(xué)、南華大學(xué)等國內(nèi)外11個單位，在Rare Metals上發(fā)表了題為“Laser additive manufacturing of titanium alloys: process, materials and post-processing”的綜述文章，對激光增材制造鈦合金的工藝、材料與后處理研究進展進行了系統(tǒng)綜述。

系統(tǒng)綜述了激光增材制造鈦合金的工藝、材料與后處理研究進展，研究結(jié)果可以為LAM鈦合金制備提供重要參考。

圖1 本綜述包含的內(nèi)容

圖1為本綜述包含的內(nèi)容。本綜述針對LAM鈦合金的增材制造工藝參數(shù)和工藝參數(shù)優(yōu)化策略進行了詳細論述。此外，對LAM制備的各類型鈦合金包括α-Ti，(α+β)-Ti和β-Ti合金進行了介紹回顧。并系統(tǒng)綜述和統(tǒng)計了LAM制備的鈦合金的力學(xué)性能，討論了對先進后處理技術(shù)（如新型熱處理、激光沖擊強化等）對LAM鈦合金組織和性能的影響。

圖2 LAM工藝示意圖 a LPBF, b LDED

圖2為LPBF和LDED工藝的示意圖。兩種工藝在制備鈦合金方面具有截然不同的特點，本文對兩種典型LAM工藝進行了詳細介紹。對LAM過程中的各工藝參數(shù)對鈦合金組織性能的影響進行了系統(tǒng)分析和討論。

圖3 LAM Ti合金致密化的加工參數(shù)影響：a 激光功率, b 掃描速度, c 層厚, d 掃描間距, e, f 激光能量密度

圖3為工藝參數(shù)對LAM鈦合金致密化行為的影響，主要包括激光功率、掃描速度、層厚、掃描間距和能量密度。論文對各參數(shù)的影響進行了詳細分析和討論。

圖4 加工參數(shù)對LPBF Ti-6Al-4V合金微觀結(jié)構(gòu)的影響：a 激光功率, b 掃描速度, c 層厚

圖4主要總結(jié)了LPBF制備的Ti-6Al-4V合金微觀結(jié)構(gòu)受加工參數(shù)影響的情況。其中討論了激光功率、掃描速度和層厚等加工參數(shù)對LPBF建造的Ti-6Al-4V合金的影響。研究發(fā)現(xiàn)，較高的激光功率通常有利于促進先驅(qū)-β晶粒的柱狀生長并粗化馬氏體α'，而較高的掃描速度則可加速固化速率并提高Ti合金的強度。然而，過高的激光功率可能會導(dǎo)致材料蒸發(fā)過度，形成許多匙孔，而過高的掃描速度則可能導(dǎo)致穿透深度不足和能量輸入不足，進而產(chǎn)生缺陷。此外，圖中還提到了適當?shù)募す夤β屎蛼呙杷俣鹊慕惶嬲{(diào)整可以實現(xiàn)先驅(qū)-β晶粒的柱狀到等軸生長的轉(zhuǎn)變。

圖5 加工參數(shù)對LDED Ti-6Al-4V合金微觀結(jié)構(gòu)的影響：a 激光功率, b 掃描速度, c 進給速率

圖5則總結(jié)了LDED制備的Ti-6Al-4V合金微觀結(jié)構(gòu)受加工參數(shù)影響的情況。研究發(fā)現(xiàn)，激光功率、掃描速度和進給速率等參數(shù)對LDED建造的Ti-6Al-4V合金的影響較為顯著。適當?shù)募す夤β士梢约毣�先�?qū)-β晶粒并促進馬氏體α'的分解，而提高的掃描速度可以加快固化速率并提高合金的強度。然而，過高的激光功率可能導(dǎo)致材料蒸發(fā)過度，形成許多鍵孔孔隙；過高的掃描速度可能導(dǎo)致能量輸入不足，形成缺陷。此外，圖中還提到了周期性調(diào)整激光功率或掃描速度可以實現(xiàn)先驅(qū)-β晶粒的柱狀到等軸生長的轉(zhuǎn)變。這種方法有利于形成完全或幾乎等軸晶粒。

圖6 掃描策略對Ti合金的影響：a LPBF Ti-6Al-4V合金采用不同掃描策略的EBSD圖, b LPBF Ti-6Al-4V合金采用不同掃描策略的光學(xué)顯微鏡（LOM）圖像, c 不同掃描策略的示意圖和相應(yīng)的LPBF Ti/(TiC+TiB)復(fù)合材料的奈奎斯特圖

圖6主要總結(jié)了不同掃描策略對Ti合金LAM建造的影響。研究發(fā)現(xiàn)，掃描策略主要影響殘余應(yīng)力、失真、晶體學(xué)紋理和晶粒形態(tài)。其中線性掃描是最常用的策略，而島嶼掃描僅在LPBF系統(tǒng)中采用。研究顯示，不同的掃描策略會對孔隙率產(chǎn)生影響，例如90°旋轉(zhuǎn)的線性掃描可以使Ti-6Al-4V合金的相對密度達到99.9%。此外，掃描策略還可以影響Ti構(gòu)件的耐腐蝕性能，90°旋轉(zhuǎn)的線性掃描能夠提高抗腐蝕能力，這是由于這種掃描策略有利于減輕熱積累并促進Ti基復(fù)合材料中增強物的細化。

圖7 Ti合金LAM中層間時間的影響：a 不同層間時間下的Ti-6Al-4V合金顯微結(jié)構(gòu)演變, b 層間時間對Ti-6Al-4V合金α片尺寸的影響, c 梯度層間時間對Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr合金力學(xué)性能的影響

圖7總結(jié)了層間停留時間對Ti合金LAM制造的影響。研究表明，短的層間停留時間會導(dǎo)致熱積累增加，促進沉積過程中亞穩(wěn)相（如馬氏體）的原位分解。相反，較長的層間停留時間可以減輕熱積累，從而細化微觀結(jié)構(gòu)并提高強度。張等人提出了一種新穎的梯度層間時間策略，通過調(diào)整層間停留時間，實現(xiàn)了Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr合金的均勻拉伸性能。

圖8 反應(yīng)性LAM Ti合金：a CP-Ti的LPBF, b 和 c Ti-10Nb的LPBF, d-g Ti-6Al-4V合金的LPBF

圖8主要介紹了LAM Ti合金中的反應(yīng)性制造技術(shù)。研究表明，在半惰性氣氛下進行反應(yīng)性LAM可以引入微量間隙元素，有利于提高Ti合金的力學(xué)性能。例如，采用Ar + N2反應(yīng)氣氛可以細化Ti合金的微觀結(jié)構(gòu)并提供固溶強化，而Ar + CH4反應(yīng)氣氛可誘導(dǎo)納米級TiC分散體的形成，增強合金的抗壓強度和抗應(yīng)變能力。這些反應(yīng)性制造技術(shù)為制備高性能Ti合金或Ti基復(fù)合材料提供了有效的途徑。需要注意的是，控制這些半惰性氣氛的合理性非常重要，以確保在提高力學(xué)性能的同時不會顯著降低韌性。

圖9 樣品幾何形狀對Ti合金的影響：a 位置對Ti-6Al-4V合金微觀結(jié)構(gòu)的影響, b 零件尺寸對Ti-6Al-4V合金微觀結(jié)構(gòu)的影響

圖9總結(jié)了樣品幾何形狀和構(gòu)建方向?qū)�LAM部件殘余應(yīng)力分布、顯微結(jié)構(gòu)和性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，LAM制造的Ti合金的顯微結(jié)構(gòu)和性能取決于特定位置和構(gòu)建方向。例如，LPBF制造的Ti-6Al-4V合金的顯微結(jié)構(gòu)隨著構(gòu)建高度的增加而變化，底部區(qū)域顯示α+β的片層狀形貌，而頂部區(qū)域則呈現(xiàn)出針狀α'形貌。這主要歸因于LPBF的熱循環(huán)效應(yīng)。另外，構(gòu)建方向還影響著制造件的力學(xué)性能。LPBF制造的Ti-6Al-4V合金在縱向構(gòu)建的拉伸樣品通常顯示比橫向構(gòu)建的樣品更高的韌性，但強度較低。這歸因于縱向構(gòu)建方向中形成的柱狀β晶粒邊界和αGB相，在拉伸變形過程中會導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，從而降低韌性。此外，構(gòu)建方向還影響著相體積分數(shù)和組織結(jié)構(gòu)，從而影響著材料的力學(xué)各向異性。對于LDED處理的Ti合金，多方向切片方法更適合于加工復(fù)雜形狀的部件，如帶有明顯邊界或其他特征的部件。因此，在選擇構(gòu)建方向時需要考慮構(gòu)件的形狀和所需的力學(xué)性能。圖9針對這些問題進行了具體的探討。

圖10 構(gòu)建方向?qū)�Ti合金的影響：a 構(gòu)建方向?qū)�Ti-6Al-4V合金孔隙率和拉伸性能的影響, b 構(gòu)建方向?qū)�Ti-6Al-4V合金疲勞性能的影響，c 應(yīng)力與失效循環(huán)次數(shù)（S-N）曲線，d 循環(huán)次數(shù)與裂紋長度曲線和裂紋擴展速率曲線，e 不同構(gòu)建策略的示意圖，f Ti-6Al-4V合金的電化學(xué)極化曲線，g 不同構(gòu)建方向的Ti-6Al-4V合金的奈奎斯特圖

圖10總結(jié)了構(gòu)建方向?qū)�LAM制造的Ti合金的疲勞性能和耐蝕性能的影響。研究表明，不同構(gòu)建方向的樣品表現(xiàn)出不同的孔隙率、疲勞性能和耐蝕性能。特別是0°和90°構(gòu)建方向有利于實現(xiàn)更高的耐腐蝕性能。這些研究結(jié)果強調(diào)了在LAM Ti合金加工過程中考慮構(gòu)建方向?qū)ψ罱K產(chǎn)品性能的重要性，同時也為實際應(yīng)用中的合金制造提供了指導(dǎo)。

圖11 Ti合金LAM的工藝窗口：a Ti-6Al-4V合金的典型工藝圖及不同加工參數(shù)下的孔隙形態(tài), b Ti-6Al-4V合金的預(yù)測工藝圖及實驗驗證

圖11概述了鈦合金的LAM過程窗口。該過程窗口指的是可以用于實現(xiàn)高密度部件的所有處理參數(shù)組合。研究發(fā)現(xiàn)，不合適或次優(yōu)的處理參數(shù)選擇會導(dǎo)致缺乏熔合或形成穿孔孔。因此，尋找適當?shù)倪^程窗口是實現(xiàn)所需材料和構(gòu)件最終性能的重要步驟。圖11a展示了典型缺陷形成條件及其形態(tài)。研究表明，較大的激光功率和較慢的掃描速度會導(dǎo)致穿孔孔的形成，而較大的掃描速度和較低的激光功率可能會導(dǎo)致缺陷的出現(xiàn)。此外，研究人員通過利用Eagar-Tsai模型和能量平衡模型計算熔池尺寸，成功預(yù)測了LPBF制造的Ti-6Al-4V合金的過程窗口地圖（圖11b）。

圖12 高保真機理建模：a 所建構(gòu)件探測點的熱歷史, b 孔隙形成過程中的溫度等溫線和速度場

圖12總結(jié)了高保真機理建模對LAM Ti合金的優(yōu)化作用。通過包括有限元分析和相場建模在內(nèi)的先進計算方法，高保真機理模型能夠模擬多尺度的LAM過程。例如，研究人員提出了基于鏈環(huán)模型的框架，以分析LDED加工的Ti-6Al-4V的冷卻速率與構(gòu)件性能的關(guān)系。另外，高保真數(shù)值模型可以準確模擬激光-材料相互作用，并預(yù)測穿孔孔特征。相場模擬被用來模擬LAM過程中的微觀結(jié)構(gòu)演變和凝固行為。這些模型在優(yōu)化LAM處理參數(shù)方面發(fā)揮了重要作用，有助于提高機械性能并減少構(gòu)件缺陷，如孔隙、裂紋和幾何畸變。通過這些模型，我們可以更深入地理解LAM過程，并高效地生產(chǎn)用于各種應(yīng)用的高性能鈦合金組件。

圖13 LAM α-Ti合金的顯微結(jié)構(gòu)：a, d CP-Ti, b, e Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, c, f Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V

圖13介紹了LAM建造的α-Ti合金的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性。研究表明，通過LAM建造的CP-Ti合金通常包含完全馬氏體α'微觀結(jié)構(gòu)，而LDED建造的Ti合金通常顯示粗大的板狀Windmanstätten α相。此外，研究人員通過精心調(diào)整體積能密度，可以在LPBF建造的CP-Ti中實現(xiàn)細小的等軸α晶粒。類似地，Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo和Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V等合金的特點和微觀結(jié)構(gòu)也在圖13中介紹。

圖14 LAM (α+β)-Ti合金的顯微結(jié)構(gòu)：a 和 b Ti-6Al-4V的典型顯微結(jié)構(gòu), c 和 d Ti-6Al-4V合金, e 和 f Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo合金的顯微結(jié)構(gòu), g 熱處理對Ti-6Al-4V和Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo合金機械性能的影響

圖14涵蓋了LAM建造的(α+β)-Ti合金的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性。以Ti-6Al-4V合金為代表，LPBF建造的Ti-6Al-4V合金通常呈現(xiàn)出馬氏體α'和大量納米孿晶，而LDED建造的Ti-6Al-4V合金通常顯示α+β層片狀微觀結(jié)構(gòu)。另外，Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo和Ti-6Al-7Nb等合金的特點和微觀結(jié)構(gòu)也在圖14中詳細介紹。

圖15 LAM β-Ti合金的顯微結(jié)構(gòu)：a Ti–5553, b Ti–5553, c Ti-38644, d Ti-38644

圖15涵蓋了LAM建造的β-Ti合金的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性。例如，Ti–5Al–5Mo–5V-3Cr合金具有高強度、高韌性和良好的熱穩(wěn)定性，LPBF建造的Ti-5553合金主要由亞穩(wěn)態(tài)β晶粒組成。類似地，Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo合金的LPBF建造形成了單一的亞穩(wěn)態(tài)β相。此外，Ti-35Nb-7Zr-5Ta合金的LPBF建造可通過調(diào)控熔池模式和微觀結(jié)構(gòu)工程等方法來增強其強度和韌性。

圖16 LPBF Ti-6Al-4V在各種常規(guī)熱處理下的顯微結(jié)構(gòu)：a-c 700℃, d-f 800℃, g-i 900℃

圖16主要涉及LAM制造的α-Ti和(α+β)-Ti合金的后熱處理以及常規(guī)熱處理的影響。常規(guī)熱處理包括退火、固溶處理、固溶時效處理和直接時效處理等，這些處理可以改善合金的韌性、減輕殘余應(yīng)力、分解馬氏體相并提高合金的疲勞壽命。

圖17 定制新型熱處理：a-c 多步熱處理, d-f 循環(huán)熱處理, g-h 熱力水制精制, i-j 磁場輔助熱處理

圖17主要涉及了一些創(chuàng)新的熱處理方法，如多步熱處理、循環(huán)熱處理、熱氫精煉以及磁場輔助熱處理等。這些方法可以定制微觀結(jié)構(gòu)，有助于實現(xiàn)優(yōu)越的力學(xué)性能。此外，還介紹了一些在LAM制造鈦合金過程中引入主動氣氛或輔助能量場的方法，如熱氫精煉和磁場輔助熱處理等。這些方法可以消除缺陷、改善疲勞性能并提高合金的強度和韌性。

圖18 HIP對Ti-6Al-4V合金的影響：a HIP示意圖, b 孔隙度的影響, c 工藝窗口, d 拉伸性能, e, f 疲勞性能

圖18主要介紹了熱等靜壓（HIP）對LAM制造的鈦合金的影響。研究表明，孔隙是LAM制造部件中常見的缺陷，會顯著影響機械和疲勞性能。HIP作為一種加壓熱處理方式，可以有效減少孔隙并改善LAM制造部件的性能。HIP能夠消除制造缺陷（例如LOF、孔洞孔），同時也可以改善材料的韌性和疲勞壽命。對于LAM制造的α和α+β鈦合金，HIP能夠同時消除缺陷、分解馬氏體并減輕熱應(yīng)力。HIP處理可以有效提高鈦合金的延展性，并擴大LAM過程的窗口。此外，HIP還能通過消除缺陷顯著提高LAM制造的鈦合金的疲勞性能。然而，值得注意的是，HIP無法有效關(guān)閉近表面的孔隙，因此需要表面處理來消除表面缺陷并進一步提高疲勞性能。

圖19 LAM Ti合金的機械性能總結(jié)

圖19主要總結(jié)了LAM制造的鈦合金的機械性能。圖中指出，在LAM初始狀態(tài)下，α-Ti和(α+β)-Ti合金通常比β-Ti合金具有更高的機械強度。對于LAM加工的α-Ti和(α+β)-Ti合金來說，由于類似的馬氏體α'微觀結(jié)構(gòu)，它們的機械性能相似。α-Ti合金具有高溫穩(wěn)定性和高蠕變強度，是高溫應(yīng)用的有前途的候選材料。而(α+β)-Ti合金的機械性能范圍比α-Ti合金更廣，但其制造過程參數(shù)需要更加謹慎。在β-Ti合金中，微觀結(jié)構(gòu)通常包含亞穩(wěn)定的β相，其強度相對較低。此外，一些高強度的β-Ti合金經(jīng)LAM制造后，通常需要后時效處理才能獲得優(yōu)異的機械強度。

圖20 Ti合金LAM的未來研究與發(fā)展趨勢

圖20主要展望了LAM鈦合金的研究和發(fā)展趨勢。其中包括智能工藝優(yōu)化方法、工藝創(chuàng)新與集成、材料定制和創(chuàng)新以及后處理驗證和創(chuàng)新。智能工藝優(yōu)化方法主要利用機器學(xué)習等技術(shù)加快LAM參數(shù)優(yōu)化過程，以實現(xiàn)優(yōu)異的機械性能。工藝創(chuàng)新和集成方面，介紹了諸如場輔助增材制造（FAAM）、反應(yīng)性LAM等先進工藝，并提出了設(shè)備創(chuàng)新的研究方向。材料定制和創(chuàng)新主要關(guān)注低密度高強度、低成本可持續(xù)、耐雜質(zhì)、生物醫(yī)用低模量等鈦合金的研究。后處理驗證和創(chuàng)新方面主要關(guān)注時間和能源效率、微觀結(jié)構(gòu)和性能均勻性、可擴展性和成本、標準化與認證等方面的研究。通過這些方面的努力，可以顯著推動LAM鈦合金領(lǐng)域的發(fā)展，為其在各個行業(yè)的更廣泛和更有影響力的應(yīng)用鋪平道路。

【全文小結(jié)】
1.了解LAM過程參數(shù)對鈦合金的熔池幾何形態(tài)、熱歷史和能量輸入的重要影響，進而影響LAM Ti合金的微觀結(jié)構(gòu)、殘余應(yīng)力和性能，控制處理參數(shù)對獲得理想性能至關(guān)重要。
2.針對不同類型的鈦合金，包括α-Ti、(α+β)-Ti和β-Ti合金，討論了其機械性能，指出了各種合金的優(yōu)勢和適用領(lǐng)域。
3.介紹了提高LAM Ti合金整體性能的后處理方法，包括熱處理（PHT）和熱等靜壓（HIP），以及表面處理方法。
4.未來展望：探討了LAM領(lǐng)域的幾個關(guān)鍵發(fā)展趨勢，包括智能工藝優(yōu)化、工藝創(chuàng)新、材料創(chuàng)新和后處理創(chuàng)新。指出機器學(xué)習、先進的材料定制和創(chuàng)新工藝在未來LAM鈦合金研究中的重要作用。


【文獻鏈接】
Su, JL., Jiang, FL., Teng, J. et al. Laser additive manufacturing of titanium alloys: process, materials and post-processing. Rare Met. (2024).
https://doi.org/10.1007/s12598-024-02685-x

【作者簡介】

譚超林, 新加坡制造技術(shù)研究院資深科學(xué)家(Senior Scientist), 博士生導(dǎo)師，國際先進材料協(xié)會(IAAM)會士。長期從事金屬增材制造(3D打印)裝備、工藝、材料等基礎(chǔ)和應(yīng)用研究。入選2022和2023年度全球前2%頂尖科學(xué)家。主持新加坡國家級基礎(chǔ)研究項目3項。以第一作者和通訊作者在Advanced Science和Int. J. Mach. Tools Manuf. (6篇)等期刊發(fā)表SCI論文38篇, 其中中科院一區(qū)期刊論文23篇, 影響因子大于10的18篇，多篇ESI熱點、高被引和期刊封面。出版署名專著2部。Google Scholar H因子31。擔任制造領(lǐng)域頂級期刊Int. J. Mach. Tools Manuf.編委(Editorial Board)。同時，擔任知名期刊Int. J. Extreme Manuf.、J Mater Sci Technol.、Rare Metals, Mater. Res. Lett.和Trans. Nonferrous Met. Soc. China青年編委。是波蘭科學(xué)院自然科學(xué)項目和中國自然科學(xué)基金面上項目評審專家，Nat. Commun., Acta Mater., Int. J. Mach. Tools Manuf., Addit. Manuf., Mater. Des., Compos. B. Eng, JMST等20余種SCI期刊常年審稿人。