3D打印两相钛合金组织性能研究现状

引言

3D打印( Three Dimensional Printing) ，其学名为增材制造( Additive Manufacturing) ，是90 年代发展起来的快速成型技术之一。3D打印技术采用离散堆积原理［1］，根据三维实体模型，对于不同的工艺要求，按照一定厚度进行分层，从而将三维数字模型变成厚度很薄的二维平面模型。再对数据进行一定的处理，加入加工参数，产生数控代码，在数控系统的控制下以平面加工方式连续加工出每个薄层，并使之粘结而成型。

钛合金具有高的比强度、优异的耐蚀性以及良好的中温强度和低温韧性等优点，但由于钛合金在成形复杂结构时存在利用率低、周期长、制造本高等特点，导致其在航空航天领域的应用形成了一定的制约。由于3D打印具有快速性、低成本、制作原型所用的材料没有限制、适应于加工各种形状的零件、高柔性和的高集成化等工艺特点［2］，近几年来钛合金3D打印技术在航空航天领域成为了重点研究对象而迅速发展。3D打印制件属于各向异性不均质材料，由于其加工制造过程的特殊性，其组织与普通工艺状态( 如锻件)存在较大差异，从而决定着3D打印制件的使用特点和力学性能存在明显的特殊性。组织决定性能，因此，国内外学者通过对工艺参数的设置、热 处理方式以及其他影响组织和性能的因素等方面的大量研究。

本文拟对国内外不同打印工艺下两相钛合金组织、性能研究成果进行梳理和比较分析，阐释堆积成型两相钛合金宏微观组织特征、力学性能特点，并分析打印成型工艺参数、热处理工艺等因素对其影响规律，为3D打印两相钛合金工程化应用提供借鉴。

1、3D打印两相钛合金组织性能的研究成果

3D打印技术是将材料粉末或丝材加热熔化，从而粘结成型的过程，所以需要热输入将材料熔化，根据将材料熔化的热源不同，3D打印技术可分为激光快速成型技术( Laser Ｒapid Prototyping，LＲP) 和电子束熔化成型技术( Electron BeamMelting，EBM) 两大类( 表1) 。不同工艺条件下3D打印两相钛合金组织与性能受工艺参数、热处理条件等多方面因素的影响，如高能束的功率、束径大小、形状以及扫描速度等工艺参数都在热循环相变过程中发挥很大作用。

1. 1 激光快速成型两相钛合金研究现状

激光快速成型技术兴起于20 世纪70 年代末，美国最先将激光快速成型的钛合金应用到航空领域，随后英国、瑞典、日本等国家也相继开展了激光快速成型技术的研究［5］，并取得了不同程度的研究进展。国内的许多高校及研究机构也对激光快速成型的组织、性能等方面进行大量研究，并取得显著研究成果。

1) 组织研究。

田象军等［6］通过光学显微镜和X 射线衍射仪，分别分析了激光快速成型TC2 钛合金的显微组织和相组成，发现TC2 钛合金在激光快速成型过程中，合金元素成分相对原材料粉末变化不明显，而与传统锻造钛合金组织相比，激光熔化沉积钛合金TC2 具有独特的组织特征，主要表现为β转变组织细小，α片层厚度较小，α相形态多样且 取向变化频繁。

Thijs 等［7］研究了激光快速成型TC4 钛合金沉积态的微观组织，并通过改变扫描参数和扫描方式研究这两个因素对微观组织的影响，发现其沉积态的微观组织主要为由针状马氏体，并且随着扫描速度的增大或扫描间距的增加，能量密度降低，得到的组织细小。Brangl 等［8］对激光快速成型TC4 钛合金在不同热处理制度下显微组织进行研究，发现在超过β转变温度进行热处理，其微观组织α相形态发生变化，原始的β柱状晶结构和层带消失，取而代之的是初始等轴β晶，后经未超过β转变温度下退火，组织形态不变。

张霜银等［9］通过调节工艺参数，观察其对激光快速成型TC4 钛合金组织的影响，发现激光功率和扫描速度对组织形态的影响是综合性的，激光功率和扫描速度的比值增大到一定值后，会发生柱状晶向等轴晶转变，沉积方向上层间距过小会造成重熔深度过大而层间结合处组织粗大。

孙帆等［10］发现激光快速成型TC17 钛合金其沉积态组织为典型的α+ β两相组织，β基体上析出二次α相。孙晓敏等［11］则发现激光快速成型TC17 钛合金具有定向外延生长的“指节”状β晶粒和少量等轴晶交替排列的沉积态凝固组织，其显微组织是由不规则片状初生α相和细小网篮状β转变组织组成的超细特殊双态组织，激光 熔化沉积TC17 钛合金构件顶部由于热循环固态相变历史不同，不同沉积层其显微组织也不尽一致。

针对激光快速成型TC21 钛合金，昝林等［12］研究发现随着激光功率的增大，原始β柱状晶将粗化，网篮组织中片状α亦将长大。杨健等［13］针对激光快速成型TC21 钛合金主要从其沉积态组织、双重退火后组织展开了分析，热处理前后宏观组织未发生明显变化，主要表现为沿沉积高度增加方向贯穿多个熔覆层柱状晶，而显微组织沉积态主要为α相集束组成的网篮组织，双重退火后，α相略有粗化，在板条α间的β相中有细小的次生α相析出。黄勇胜等［14］则对激光快速成型TC21 钛合金经过去应力退火、固溶时效热处理后组织变化进行研究，试验结果表明去应力退火前后基本无变化，而固溶+ 时效热处理后组织发生网篮化，并随着固溶温度的升高，网篮组织中的α片变宽，球状α相的数量增多，晶界α相发生粗化。

激光快速成型两相钛合金在沉积方向具有穿过多个沉积层定向生长的柱状晶，局部区域会出现等轴晶。沉积态的微观组织主要由针状α' 相组成，经过固溶+ 时效处理后，针状α' 相转变成杆状的α相，呈网篮状编织组织，而退火后组织无变化或变化较小。打印工艺参数调整，其组织也会发生一定程度的改变: 激光功率的增大，组织 粗化; 而扫描速率的增大或扫描间距的增加，能量密度降低，得到组织会更加细小; 激光功率和扫描速率的比值增大到一定值后，会发生柱状晶向等轴晶转变。

2) 性能研究。

Kobryn 等［15］发现激光快速成型TC4 钛合金的多方面性能都与其微观组织α相有关，而某些性能( 如疲劳) 受初生β相特征参数( 如晶粒尺寸、形态和晶体结构) 的影响较大，而α相和β相的相关参数依次受凝固过程中的形核、合金的生长特征及热状况所控制。Edwards 等［16］对比了激光快速成型钛合金沉积态与普通锻件的疲劳性能，试验结果表明激光快速成型TC4 钛合金沉积态疲劳寿命比普通锻件低约77%，疲劳强度低约80%。孙帆等［10］研究了沉积态TC17 钛合金的性能，发现沉积态TC17 试样的抗拉性能略高于固溶时效的盘模锻件。杨健等［13］研究激光快速成型TC21 钛合金沉积态和双重退火态的室温拉伸性能，结果显示与锻件实测值相比，此两种状态下激光快速成型件强度相当，塑性略低，但均高于锻件标准要求。

激光快速成型两相钛合金的室温拉伸性能与锻件相比，强度相当，塑性略低，但疲劳性能比锻件差，通过热处理性能可以得到部分改善。

1. 2 电子束熔化成型两相钛合金研究现状

相对于激光快速成型技术，电子束熔化成型技术的起步较晚，是2002 年由美国航空航天兰利研究中心最早提出的。2004 年，美国Sciaky 公司推出了用于航空结构件制造和修复的电子束熔丝快速成型设备，国内中航工业北京航空制造工程研究所等研究机构对此技术进行了研究［17］。虽然发展时间较短，但电子束熔化成型钛合金技术在关于组织和性能方面还是取得了较多的研究成果。

1) 组织研究。

王哲等［18］对电子束熔化成型TC4 钛合金进行组织研究，得出其微观组织以片层α相为主，片层α之间有少量β相，α相的厚度随沉积高度增加而增大，一定程度后逐渐趋于稳定。针对电子束熔化成型TC4 钛合金，Lv 等［19］研究了电子束熔化成型TC4 钛合金固溶热处理对其组织的影响，发现固溶热处理前后组织的主要变化特征

为片层的α相发生了拉长、弯曲、扭结和旋转，热处理过程中片层α相的比例进一步减少，并且随着热处理时间的增加，片层α相形态和球化量会产生变化。杨光等［20］ 对多次电子束堆积成型TC18 合金的组织特征进行了研究，发现沉积态主要为α针状组织，沉积层β柱状晶呈外延生长趋势，在沉积体心部竖直向上生长，在沉积体边缘主轴则向心部倾斜。

电子束熔化成型两相钛合金沉积方向宏观组织为穿过多个沉积层定向生长的柱状晶，局部位置有等轴晶。沉积态微观组织主要为由针状马氏体α'相组成，固溶热处理后，片层α相形态发生明显变化。

2) 性能研究。

王哲等［18］则对电子束熔化成型的TC4 钛合金室温拉伸性能进行分析，得出与锻件相比，TC4钛合金沉积态强度更高。娄军等［21］则研究了电子束熔化成型TC18 钛合金热处理工艺对室温拉伸性能影响，随着固溶温度的升高，快速成形样品沿柱状晶方向抗拉强度呈上升趋势，塑性呈下降趋势; 随着时效温度的升高，沿柱状晶方向强度呈下降趋势，而塑性呈上升趋势。蔡雨升等［22］分析了电子束熔化成型TCl8 合金的显微组织与硬度的关系，发现不同退火条件下，低温α相析出的增加则会使材料硬度提高。黄志涛等［23］对电子束熔化成型TC18 钛合金热处理工艺对显微硬度影响作了研究，试验结果表明随着固溶温度的升高，试样的显微硬度值增大; 相同固溶条件下，随着时效温度的升高，β转变组织中次生α相片层宽度明显增大，对应的显微硬度值降低。

电子束熔化成型两相钛合金沉积态强度比锻件高。经过不同热处理，钛合金强度和塑性均会发生改变，随着固溶温度的升高，呈现强度上升塑性下降硬度增大趋势，随着时效温度的升高，呈现强度下降塑性上升硬度下降趋势。

2、分析与讨论

2. 1 工艺差异性分析

激光快速成型技术与电子束熔化成型技术作为3D打印技术最常规的方法，两者各有优缺点:

1) 工序上，激光束式不实施预热，电子束式实施预热，由此，残余应力的大小和造型物以外的粉末状态会发生变化，造型后的工序各有利弊，不实施预热的激光束式的温差会变大，导致残余应力升高［24］，造型品需要承受这种残余应力; 

2) 热效应上，由于电子束对金属的热效应深度比较大，而激光热效应深度较小［25］，激光成型时坯体受热和散热均优于电子束，因此，能形成很薄的熔化区和更细密均匀的沉积制造，凝固过程中的金相结构更容易控制，热应力复杂程度更低; 

3) 材料反射率上，电子束作为热源时，金属材料对其几乎没有反射，多以能量吸收率大幅提高，在真空环境下，材料熔化后的润湿性也大大提高［26］，增加了熔池之 间、层与层之间的冶金结合强度; 而激光能量对金属材料的反射率较电子束高，尤其是Al、Ti等［27］，并且Al 的熔化潜热很高，不易熔化，所以需要足够的能量密度才能产生熔池，而且熔池一旦形成，液态金属对激光的反射率迅速降低，从而使熔池温度急剧升高，导致Al 的气化及化学反应发生，因而能量密度又不能过高，工艺参数比较难控制; 

4) 效率上，电子束的最大功率是激光的数倍，其连续热源功率密度要比激光高［28］，电子束在平面作二维扫描运动是通过改变磁偏转线圈电流来实现的［29］，而激光必须通过转动反射镜或依靠数控工作台的运动来实现。

2. 2 不同工艺条件下组织分析

激光快速成型两相钛合金和电子束熔化成型两相钛合金的显微组织与热的分布及温度梯度相关，不同工艺过程形成的宏微观组织具有很大的相似性: 

1) 3D打印两相钛合金沉积方向的宏观组织主要为定向生长的原始β柱状晶，由于沿Z 轴方向的温度梯度最大，固－ 液界面趋近于平滑界面，此时各个晶粒将沿着热流的反方向平行推进， 最后得到定向生长的柱状晶，局部区域存在等轴晶; 

2) 沉积态的微观组织一般主要为针状α'相和片层的α相，经过固溶+ 时效热处理后α形态发生改变，针状α'相转变成了杆状α相，一般呈现为编织状分布的网篮组织; 

3) 组织可以通过热处理来改变，但其本身主要受工艺参数的影响，如高能束的功率、扫描速率、搭接率和Z 轴单道行程等都会不同程度低影响α相的形态和分布。

电子束目前所能达到的功率远比激光大，所以一般情况下采用电子束设备制造两相钛合金时，其功率比激光高，且电子束的焦点较细，因此形成的熔池较大较深，宏观组织的层带、道间距更宽，而微观组织通常更细小。

2. 3 不同工艺条件下性能分析

激光快速成型两相钛合金和电子束成型两相钛合金在性能方面的共性体现在: 

1) 与锻件相比，3D打印两相钛合金沉积态和热处理态室温拉伸性能强度指标不仅能达到锻件的水平，甚至能够超过，但其疲劳性能较差;

 2) 热处理对3D打印两相钛合金性能产生一定影响，经过不同热处理，钛合金强度和塑性均会发生改变，随着固溶温度的升高，呈现强度上升塑性下降硬度增大趋势，随着时效温度的升高，呈现强度下降塑性上升硬度下降趋势。

激光快速成型和电子束成型工艺可控参数多，如何科学地定性、定量评价两种工艺差别，还需加强研究。

3、结束语

通过对3D打印两相钛合金组织、性能研究结果的分析，可以得出组织、性能特点及规律:

1) 组织上，3D打印两相钛合金沉积方向的宏观组织主要为定向生长的原始β柱状晶，局部区域存在等轴晶; 沉积态的微观组织一般为针状α'相和片层的α相，经过固溶+ 时效热处理后α形态发生改变; 组织可以通过热处理来改变，但其本身主要受工艺参数的影响，如高能束的功率、扫描速率、搭接率和Z 轴单道行程等都会不同程度地影响α相的形态和分布。

2) 性能上，与锻件相比，3D打印两相钛合金沉积态和热处理态室温拉伸性能强度指标可以达到锻件的水平，但其疲劳性能较差; 热处理对3D打印两相钛合金性能产生一定影响，经过不同热处理，钛合金强度和塑性均会发生改变，随着固溶温度的升高，呈现强度上升塑性下降硬度增大趋势，随着时效温度的升高，呈现强度下降塑性上升 硬度下降趋势。

3) 未来在3D两相钛合金领域还需要在细化组织、疲劳性能改善、界面损伤变形等方面进一步研究。

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