引言

3D打印（Three Dimensional Printing），其學名為增材制造（Additive Manufacturing），是90 年代發(fā)展起來的快速成型技術之一。3D打印技術采用離散堆積原理[1] ，根據三維實體模型，對于不同的工藝要求，按照一定厚度進行分層，從而將三維數字模型變成厚度很薄的二維平面模型。再對數據進行一定的處理，加入加工參數，產生數控代 碼，在數控系統(tǒng)的控制下以平面加工方式連續(xù)加工出每個薄層，并使之粘結而成型。

鈦合金具有高的比強度、優(yōu)異的耐蝕性以及良好的中溫強度和低溫韌性等優(yōu)點，但由于鈦合金在成形復雜結構時存在利用率低、周期長、制造本高等特點，導致其在航空航天領域的應用形成了一定的制約。由于3D打印具有快速性、低成本、制作原型所用的材料沒有限制、適應于加工各種形狀的零件、高柔性和的高集成化等工藝特點[2] ，近幾年來鈦合金3D打印技術在航空航天領域成為了重點研究對象而迅速發(fā)展。3D打印制件屬于各向異性不均質材料，由于其加工制造過程的特殊性，其組織與普通工藝狀態(tài)（如鈦合金鍛件）存在較大差異，從而決定著3D打印制件的使用特點和力學性能存在明顯的特殊性。組織決定性能，因此，國內外學者通過對工藝參數的設置、熱處理方式以及其他影響組織和性能的因素等方面的大量研究。

本文擬對國內外不同打印工藝下兩相鈦合金組織、性能研究成果進行梳理和比較分析，闡釋堆積成型兩相鈦合金宏微觀組織特征、力學性能特點，并分析打印成型工藝參數、熱處理工藝等因素對其影響規(guī)律，為3D打印兩相鈦合金工程化應用提供借鑒。

1、3D打印兩相鈦合金組織性能的研究成果

3D打印技術是將材料粉末或絲材加熱熔化，從而粘結成型的過程，所以需要熱輸入將材料熔化，根據將材料熔化的熱源不同，3D打印技術可分為激光快速成型技術（Laser Rapid Prototyping，LRP） 和電子束熔化成型技術（ Electron BeamMelting，EBM） 兩大類（表1）。不同工藝條件下3D打印兩相鈦合金組織與性能受工藝參數、熱處 理條件等多方面因素的影響，如高能束的功率、束徑大小、形狀以及掃描速度等工藝參數都在熱循環(huán)相變過程中發(fā)揮很大作用。

1.1　激光快速成型兩相鈦合金研究現狀

激光快速成型技術興起于20 世紀70 年代末，美國最先將激光快速成型的鈦合金應用到航空領域，隨后英國、瑞典、日本等國家也相繼開展了激光快速成型技術的研究[5] ，并取得了不同程度的研究進展。國內的許多高校及研究機構也對激光快速成型的組織、性能等方面進行大量研究，并取得顯著研究成果。

1）組織研究。

田象軍等[6] 通過光學顯微鏡和X 射線衍射儀，分別分析了激光快速成型TC2鈦合金的顯微組織和相組成，發(fā)現TC2鈦合金在激光快速成型過程中，合金元素成分相對原材料粉末變化不明顯，而與傳統(tǒng)鍛造鈦合金組織相比，激光熔化沉積鈦合金TC2 具有獨特的組織特征，主要表現為β轉變組織細小，α片層厚度較小，α相形態(tài)多樣且取向變化頻繁。

Thijs 等[7] 研究了激光快速成型TC4鈦合金沉積態(tài)的微觀組織，并通過改變掃描參數和掃描方式研究這兩個因素對微觀組織的影響，發(fā)現其沉積態(tài)的微觀組織主要為由針狀馬氏體，并且隨著掃描速度的增大或掃描間距的增加，能量密度降低，得到的組織細小。Brangl 等[8] 對激光快速成型TC4鈦合金在不同熱處理制度下顯微組織進行研究，發(fā)現在超過β轉變溫度進行熱處理，其微觀組織α相形態(tài)發(fā)生變化，原始的β柱狀晶結構和層帶消失，取而代之的是初始等軸β晶，后經未超過β轉變溫度下退火，組織形態(tài)不變。

張霜銀等[9] 通過調節(jié)工藝參數，觀察其對激光快速成型TC4鈦合金組織的影響，發(fā)現激光功率和掃描速度對組織形態(tài)的影響是綜合性的，激光功率和掃描速度的比值增大到一定值后，會發(fā)生柱狀晶向等軸晶轉變，沉積方向上層間距過小會造成重熔深度過大而層間結合處組織粗大。

孫帆等[10] 發(fā)現激光快速成型TC17鈦合金其沉積態(tài)組織為典型的α+ β兩相組織，β基體上析出二次α相。孫曉敏等[11] 則發(fā)現激光快速成型TC17鈦合金具有定向外延生長的“指節(jié)”狀β晶粒和少量等軸晶交替排列的沉積態(tài)凝固組織，其顯微組織是由不規(guī)則片狀初生α相和細小網籃狀β轉變組織組成的超細特殊雙態(tài)組織，激光熔化沉積TC17鈦合金構件頂部由于熱循環(huán)固態(tài)相變歷史不同，不同沉積層其顯微組織也不盡一致。

針對激光快速成型TC21鈦合金，昝林等[12]研究發(fā)現隨著激光功率的增大，原始β柱狀晶將粗化，網籃組織中片狀α亦將長大。楊健等[13] 針對激光快速成型TC21鈦合金主要從其沉積態(tài)組織、雙重退火后組織展開了分析，熱處理前后宏觀組織未發(fā)生明顯變化，主要表現為沿沉積高度增加方向貫穿多個熔覆層柱狀晶，而顯微組織沉積態(tài)主要為α相集束組成的網籃組織，雙重退火后，α相略有粗化，在板條α間的β相中有細小的次生α相析出。黃勇勝等[14] 則對激光快速成型TC21鈦合金經過去應力退火、固溶時效熱處理后組織變化進行研究，試驗結果表明去應力退火前后基本無變化，而固溶+ 時效熱處理后組織發(fā)生網籃化，并隨著固溶溫度的升高，網籃組織中的α片變寬，球狀α相的數量增多，晶界α相發(fā)生粗化。

激光快速成型兩相鈦合金在沉積方向具有穿過多個沉積層定向生長的柱狀晶，局部區(qū)域會出現等軸晶。沉積態(tài)的微觀組織主要由針狀α′相組成，經過固溶+ 時效處理后，針狀α′相轉變成桿狀的α相，呈網籃狀編織組織，而退火后組織無變化或變化較小。打印工藝參數調整，其組織也會發(fā)生一定程度的改變：激光功率的增大，組織粗化;而掃描速率的增大或掃描間距的增加，能量密度降低，得到組織會更加細小;激光功率和掃描速率的比值增大到一定值后，會發(fā)生柱狀晶向等軸晶轉變。

2）性能研究。

Kobryn 等[15] 發(fā)現激光快速成型TC4鈦合金的多方面性能都與其微觀組織α相有關，而某些性能（如疲勞）受初生β相特征參數（如晶粒尺寸、形態(tài)和晶體結構）的影響較大，而α相和β相的相關參數依次受凝固過程中的形核、合金的生長特征及熱狀況所控制。Edwards 等[16] 對比了激光快速成型鈦合金沉積態(tài)與普通鍛件的疲勞性能，試驗結果表明激光快速成型TC4鈦合金沉積態(tài)疲勞壽命比普通鍛件低約77%，疲勞強度低約80%。孫帆等[10] 研究了沉積態(tài)TC17鈦合金的性能，發(fā)現沉積態(tài)TC17 試樣的抗拉性能略高于固溶時效的盤模鍛件。楊健等[13] 研究激光快速成型TC21鈦合金沉積態(tài)和雙重退火態(tài)的室溫拉伸性能，結果顯示與鍛件實測值相比，此兩種狀態(tài)下激光快速成型件強度相當，塑性略低，但均高于鍛件標準要求。

激光快速成型兩相鈦合金的室溫拉伸性能與鍛件相比，強度相當，塑性略低，但疲勞性能比鍛件差，通過熱處理性能可以得到部分改善。

1.2　電子束熔化成型兩相鈦合金研究現狀

相對于激光快速成型技術，電子束熔化成型技術的起步較晚，是2002 年由美國航空航天蘭利研究中心最早提出的。2004 年，美國Sciaky 公司推出了用于航空結構件制造和修復的電子束熔絲快速成型設備，國內中航工業(yè)北京航空制造工程研究所等研究機構對此技術進行了研究[17] 。雖然發(fā)展時間較短，但電子束熔化成型鈦合金技術在關于組織和性能方面還是取得了較多的研究成果。

1）組織研究。

王哲等[18] 對電子束熔化成型TC4鈦合金進行組織研究，得出其微觀組織以片層α相為主，片層α之間有少量β相，α相的厚度隨沉積高度增加而增大，一定程度后逐漸趨于穩(wěn)定。針對電子束熔化成型TC4鈦合金，Lv 等[19] 研究了電子束熔化成型TC4鈦合金固溶熱處理對其組織的影響，發(fā)現固溶熱處理前后組織的主要變化特征為片層的α相發(fā)生了拉長、彎曲、扭結和旋轉，熱處理過程中片層α相的比例進一步減少，并且隨著熱處理時間的增加，片層α相形態(tài)和球化量會產生變化。楊光等[20] 對多次電子束堆積成型TC18 合金的組織特征進行了研究，發(fā)現沉積態(tài)主要為α針狀組織，沉積層β柱狀晶呈外延生長趨勢，在沉積體心部豎直向上生長，在沉積體邊緣主軸則向心部傾斜。

電子束熔化成型兩相鈦合金沉積方向宏觀組織為穿過多個沉積層定向生長的柱狀晶，局部位置有等軸晶。沉積態(tài)微觀組織主要為由針狀馬氏體α′相組成，固溶熱處理后，片層α相形態(tài)發(fā)生明顯變化。

2）性能研究。

王哲等[18] 則對電子束熔化成型的TC4鈦合金室溫拉伸性能進行分析，得出與鍛件相比，TC4鈦合金沉積態(tài)強度更高。婁軍等[21] 則研究了電子束熔化成型TC18鈦合金熱處理工藝對室溫拉伸性能影響，隨著固溶溫度的升高，快速成形樣品沿柱狀晶方向抗拉強度呈上升趨勢，塑性呈下降趨勢;隨著時效溫度的升高，沿柱狀晶方向強度呈下降趨勢，而塑性呈上升趨勢。蔡雨升等[22] 分析了電子束熔化成型TCl8 合金的顯微組織與硬度的關系，發(fā)現不同退火條件下，低溫α相析出的增加則會使材料硬度提高。黃志濤等[23] 對電子束熔化成型TC18鈦合金熱處理工藝對顯微硬度影響作了研究，試驗結果表明隨著固溶溫度的升高，試樣的顯微硬度值增大;相同固溶條件下，隨著時效溫度的升高，β轉變組織中次生α相片層寬度明顯增大，對應的顯微硬度值降低。

電子束熔化成型兩相鈦合金沉積態(tài)強度比鍛件高。經過不同熱處理，鈦合金強度和塑性均會發(fā)生改變，隨著固溶溫度的升高，呈現強度上升塑性下降硬度增大趨勢，隨著時效溫度的升高，呈現強度下降塑性上升硬度下降趨勢。

2、分析與討論

2.1　工藝差異性分析

激光快速成型技術與電子束熔化成型技術作為3D打印技術最常規(guī)的方法，兩者各有優(yōu)缺點：

1）工序上，激光束式不實施預熱，電子束式實施預熱，由此，殘余應力的大小和造型物以外的粉末狀態(tài)會發(fā)生變化，造型后的工序各有利弊，不實施預熱的激光束式的溫差會變大，導致殘余應力升高[24] ，造型品需要承受這種殘余應力;2）熱效應上，由于電子束對金屬的熱效應深度比較大，而激光熱效應深度較小[25] ，激光成型時坯體受熱和散熱均優(yōu)于電子束，因此，能形成很薄的熔化區(qū)和更細密均勻的沉積制造，凝固過程中的金相結構更容易控制，熱應力復雜程度更低;3）材料反射率上，電子束作為熱源時，金屬材料對其幾乎沒有反射，多以能量吸收率大幅提高，在真空環(huán)境下，材料熔化后的潤濕性也大大提高[26] ，增加了熔池之間、層與層之間的冶金結合強度;而激光能量對金屬材料的反射率較電子束高， 尤其是Al、Ti等[27] ，并且Al 的熔化潛熱很高，不易熔化，所以需要足夠的能量密度才能產生熔池，而且熔池一旦形成，液態(tài)金屬對激光的反射率迅速降低，從而

使熔池溫度急劇升高，導致Al 的氣化及化學反應發(fā)生，因而能量密度又不能過高，工藝參數比較難控制;4）效率上，電子束的最大功率是激光的數倍，其連續(xù)熱源功率密度要比激光高[28] ，電子束在平面作二維掃描運動是通過改變磁偏轉線圈電流來實現的[29] ，而激光必須通過轉動反射鏡或依靠數控工作臺的運動來實現。

2.2　不同工藝條件下組織分析

激光快速成型兩相鈦合金和電子束熔化成型兩相鈦合金的顯微組織與熱的分布及溫度梯度相關，不同工藝過程形成的宏微觀組織具有很大的相似性：1）3D打印兩相鈦合金沉積方向的宏觀組織主要為定向生長的原始β柱狀晶，由于沿Z 軸方向的溫度梯度最大，固- 液界面趨近于平滑界面，此時各個晶粒將沿著熱流的反方向平行推進，最后得到定向生長的柱狀晶，局部區(qū)域存在等軸晶;2）沉積態(tài)的微觀組織一般主要為針狀α′相和片層的α相，經過固溶+ 時效熱處理后α形態(tài)發(fā)生改變，針狀α′相轉變成了桿狀α相，一般呈現為編織狀分布的網籃組織;3）組織可以通過熱處理來改變，但其本身主要受工藝參數的影響，如高能束的功率、掃描速率、搭接率和Z 軸單道行程等都會不同程度低影響α相的形態(tài)和分布。電子束目前所能達到的功率遠比激光大，所以一般情況下采用電子束設備制造兩相鈦合金時，其功率比激光高，且電子束的焦點較細，因此形成的熔池較大較深，宏觀組織的層帶、道間距更寬，而微觀組織通常更細小。

2.3　不同工藝條件下性能分析

激光快速成型兩相鈦合金和電子束成型兩相鈦合金在性能方面的共性體現在：1） 與鍛件相比，3D打印兩相鈦合金沉積態(tài)和熱處理態(tài)室溫拉伸性能強度指標不僅能達到鍛件的水平，甚至能夠超過，但其疲勞性能較差;2）熱處理對3D打印兩相鈦合金性能產生一定影響，經過不同熱處理，鈦合金強度和塑性均會發(fā)生改變，隨著固溶溫度的升高，呈現強度上升塑性下降硬度增大趨勢，隨著時效溫度的升高，呈現強度下降塑性上升硬度下降趨勢。

激光快速成型和電子束成型工藝可控參數多，如何科學地定性、定量評價兩種工藝差別，還需加強研究。

3、結束語

通過對3D打印兩相鈦合金組織、性能研究結果的分析，可以得出組織、性能特點及規(guī)律：

1）組織上，3D打印兩相鈦合金沉積方向的宏觀組織主要為定向生長的原始β柱狀晶，局部區(qū)域存在等軸晶;沉積態(tài)的微觀組織一般為針狀α′相和片層的α相，經過固溶+ 時效熱處理后α形態(tài)發(fā)生改變;組織可以通過熱處理來改變，但其本身主要受工藝參數的影響，如高能束的功率、掃描速率、搭接率和Z 軸單道行程等都會不同程度地影響α相的形態(tài)和分布。

2）性能上，與鍛件相比， 3D打印兩相鈦合金沉積態(tài)和熱處理態(tài)室溫拉伸性能強度指標可以達到鈦合金鍛件的水平，但其疲勞性能較差;熱處理對3D打印兩相鈦合金性能產生一定影響，經過不同熱處理，鈦合金強度和塑性均會發(fā)生改變，隨著固溶溫度的升高，呈現強度上升塑性下降硬度增大趨勢，隨著時效溫度的升高，呈現強度下降塑性上升硬度下降趨勢。

3）未來在3D 兩相鈦合金領域還需要在細化組織、疲勞性能改善、界面損傷變形等方面進一步研究。

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