Rare Metals 新加坡制造技術研究院: 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）技術已經(jīng)成為一項具有廣泛潛力的革命性技術，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，本文對兩種關鍵LAM技術（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性能。
3.討論了LAM鈦合金的傳統(tǒng)和先進后處理技術。
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，新加坡制造技術研究院、湖南大學、德國航空航天中心、南方科技大學、加利福尼亞大學、南華大學等國內(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性能，討論了對先進后處理技術（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顯微鏡（LOM）圖像, c 不同掃描策略的示意圖和相應的LPBF Ti/(TiC+TiB)復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力、失真、晶體學紋理和晶粒形態(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合金中的反應性制造技術。研究表明，在半惰性氣氛下進行反應性LAM可以引入微量間隙元素，有利于提高Ti合金的力學性能。例如，采用Ar + N2反應氣氛可以細化Ti合金的微觀結(jié)構并提供固溶強化，而Ar + CH4反應氣氛可誘導納米級TiC分散體的形成，增強合金的抗壓強度和抗應變能力。這些反應性制造技術為制備高性能Ti合金或Ti基復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)構的影響, b 零件尺寸對Ti-6Al-4V合金微觀結(jié)構的影響

圖9總結(jié)了樣品幾何形狀和構建方向?qū)�LAM部件殘余應力分布、顯微結(jié)構和性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，LAM制造的Ti合金的顯微結(jié)構和性能取決于特定位置和構建方向。例如，LPBF制造的Ti-6Al-4V合金的顯微結(jié)構隨著構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。另外，構建方向還影響著制造件的力學性能。LPBF制造的Ti-6Al-4V合金在縱向構建的拉伸樣品通常顯示比橫向構建的樣品更高的韌性，但強度較低。這歸因于縱向構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致局部應力集中，從而降低韌性。此外，構建方向還影響著相體積分數(shù)和組織結(jié)構，從而影響著材料的力學各向異性。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，在選擇構建方向時需要考慮構件的形狀和所需的力學性能。圖9針對這些問題進行了具體的探討。

圖10 構建方向?qū)�Ti合金的影響：a 構建方向?qū)�Ti-6Al-4V合金孔隙率和拉伸性能的影響, b 構建方向?qū)�Ti-6Al-4V合金疲勞性能的影響，c 應力與失效循環(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 不同構建策略的示意圖，f Ti-6Al-4V合金的電化學極化曲線，g 不同構建方向的Ti-6Al-4V合金的奈奎斯特圖

圖10總結(jié)了構建方向?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建方向?qū)ψ罱K產(chǎn)品性能的重要性，同時也為實際應用中的合金制造提供了指導。

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的冷卻速率與構件性能的關系。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)用于各種應用的高性能鈦合金組件。

圖13 LAM α-Ti合金的顯微結(jié)構：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)構和力學特性。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，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)構也在圖13中介紹。

圖14 LAM (α+β)-Ti合金的顯微結(jié)構：a 和 b Ti-6Al-4V的典型顯微結(jié)構, c 和 d Ti-6Al-4V合金, e 和 f Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo合金的顯微結(jié)構, 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)構和力學特性。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。另外，Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo和Ti-6Al-7Nb等合金的特點和微觀結(jié)構也在圖14中詳細介紹。

圖15 LAM β-Ti合金的顯微結(jié)構：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)構和力學特性。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：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，有助于實現(xiàn)優(yōu)越的力學性能。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，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習等技術加快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）、反應性LAM等先進工藝，并提出了設備創(chuàng)新的研究方向。材料定制和創(chuàng)新主要關注低密度高強度、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)新方面主要關注時間和能源效率、微觀結(jié)構和性能均勻性、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、殘余應力和性能，控制處理參數(shù)對獲得理想性能至關重要。
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領域的幾個關鍵發(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, 新加坡制造技術研究院資深科學家(Senior Scientist), 博士生導師，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、材料等基礎和應用研究。入選2022和2023年度全球前2%頂尖科學家。主持新加坡國家級基礎研究項目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。是波蘭科學院自然科學項目和中國自然科學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。