隨著我國高新事業(yè)迅速發(fā)展，航空航天、生物醫(yī)療、海洋工程、軍事等領(lǐng)域?qū)p質(zhì)高性能材料的需求與日俱增，鈦合金因其具有密度小、比強度高、熱強度高、抗腐蝕性好、低溫性能好、彈性模量小等特點而被開發(fā)研究，并廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域[1?6]。我國鈦儲量位居世界第一，合理的開發(fā)利用鈦合金，對我國未來發(fā)展具有重大意義。然而，鈦合金材料的低導(dǎo)熱性和低體積比熱會導(dǎo)致加工時的切削溫度升高；同時，鈦合金在高溫下仍保持高強度，則需要更高的加工力[7]，這使得傳統(tǒng)方法生產(chǎn)難度大、周期長、成本也大幅提高，大大限制了精密鈦合金的開發(fā)和應(yīng)用。

增材制造(Additive manufacturing, AM)又稱 3D打印，它因能夠?qū)崿F(xiàn)高精度生產(chǎn)、一體化成形制造、生產(chǎn)周期短、成形件形態(tài)不受限制等特點而廣受關(guān)注。AM 技術(shù)是 20 世紀(jì) 80 年代后期發(fā)展起來的一種新型加工技術(shù)，它基于離散?堆積原理，利用軟件將三維立體實物逐層解構(gòu)成二維截面，再利用高輸入能量源逐層熔化原材料粉末或絲材等，通過逐層累加的加工方式，最終得到立體實物[8]。目前，AM 技術(shù)的成形材料包括非金屬、金屬材料等，其已被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、高精度電子儀器、珠寶首飾、建筑等領(lǐng)域[9?13]。

AM 技術(shù)按照熱源分類可分為激光增材制造(Laser additive manufacturing, LAM)、電子束增材制造(Electron beam additive manufacturing, EBM)兩大類[14]。其中激光選區(qū)熔化技術(shù)(Selective laser melting, SLM)是 LAM 技術(shù)中最具發(fā)展前景的技術(shù)之一，SLM 技術(shù)能實現(xiàn)一體化制造，縮短生產(chǎn)周期[15]，此外，在成形過程中，其熔池內(nèi)的冷卻速度可達到103~108 K/s，能有效抑制晶粒生長和合金元素的偏析，在熔池內(nèi)形成較為精細(xì)且均勻的顯微組織，從而提高成形件性能[16]。對于難加工的鈦合金而言，SLM技術(shù)的興起為其提供了一個發(fā)展平臺，SLM 技術(shù)對鈦合金的高效精細(xì)化生產(chǎn)有著重要作用。

近年來，國家科技的高速發(fā)展對高性能優(yōu)質(zhì)材料的需求日益增加，國內(nèi)外研究人員大力開展對于SLM 成形鈦合金的研究，以求實現(xiàn)航空航天、醫(yī)療等領(lǐng)域材料的全面升級。本文介紹了近年來激光選區(qū)熔化鈦合金的研究進展，從模擬、微觀組織、性能和后處理方面總結(jié)了國內(nèi)外的研究成果，并指出激光選區(qū)熔化鈦合金的發(fā)展趨勢和主要問題，以期提供借鑒和參考。

1、 激光選區(qū)熔化技術(shù)

1.1 技術(shù)原理

SLM 技術(shù)通過在三維軟件中構(gòu)建實物的三維模型，再利用切片軟件將三維模型切割成二維平面，然后導(dǎo)入到3D打印機中逐層進行掃描、加熱，通過激光加熱使金屬粉末快速升溫，金屬粉末熔化后接著進行快速凝固，以實現(xiàn)對金屬粉末材料的激光成形。SLM技術(shù)原理示意圖如圖1[17]所示。因其特殊的生產(chǎn)工藝，SLM 技術(shù)往往被用來生產(chǎn)薄壁和特殊結(jié)構(gòu)部件，而且將金屬粉末二次回收使用以提高原料利用率和降低生產(chǎn)成本[18?20]。SLM 技術(shù)具有以下優(yōu)點：1) 可成形合金粉末，包括鈦合金、不銹鋼、鎳基高溫合金、鋁合金等；2) 成形零件表面質(zhì)量高，經(jīng)簡單表面處理即可達到使用要求；3)靈活生產(chǎn)小型復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件；4) 打印件的力學(xué)性能優(yōu)異，優(yōu)于鑄件，比肩鍛件；5) 生產(chǎn)周期小。主要缺點：1) 生產(chǎn)零件尺寸受粉床尺寸限制，一般不超過500 mm；2) 合金粉末質(zhì)量要求很高。目前，固定牌號合金粉末的制備技術(shù)較為成熟，而對新型合金粉末的開發(fā)有限。

1.2 工藝參數(shù)

通過對 SLM 成形工序的相關(guān)工藝參數(shù)進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)：激光功率、掃描速度、掃描間距以及鋪粉厚度對成形構(gòu)件力學(xué)性能影響顯著。這4個工藝參數(shù)在實際生產(chǎn)過程中容易調(diào)節(jié)，因而受到眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注，這些參數(shù)最終歸定為統(tǒng)一參數(shù)—體積能量密度(ρV)[21]，其定義為：

式中：ρV為體積能量密度(J/mm3)；P 為激光功率(W)；v為掃描速度(mm/s)；h為掃描間距(μm)；t為層厚(μm)。HANN 等[22]提出 keyhole-mode(匙孔熔池模式)閾值的數(shù)學(xué)準(zhǔn)則，讓最佳激光功率和掃描速度的參數(shù)值的探索變得更方便，其公式如下：

式中：d 為激光光斑尺寸；Tb為沸點；K 為導(dǎo)熱系數(shù)；D為合金的熱擴散系數(shù)；A為激光吸收率(與材料、激光波長等參數(shù)有關(guān))。當(dāng)

大于等于匙孔閾值時，熔池進入匙孔熔池模式，該模式下匙孔缺陷增多，孔隙率較大，一般在小于閾值的區(qū)間并結(jié)合模擬或其他合金工藝參數(shù)來確定激光功率和掃描速度。掃描間距直接影響激光光斑的大小，小的掃描間距會導(dǎo)致高能量區(qū)域集中，從而形成重熔區(qū)域，進而降低相對密度；而大的掃描間距會減少重熔現(xiàn)象，使得粉末與基材之間的潤濕性得到增強，進而可以提高成形件致密度。但是當(dāng)掃描間距過大時，相鄰區(qū)域的粉末熔合不足，表面會殘留未熔化顆粒。鋪粉厚度較小時，體能量密度相對較大，大的能量密度能充分熔合金屬粉末，進而提高合金表面的成形質(zhì)量。相反地，鋪粉厚度過大會導(dǎo)致體能量密度相對較小，而不能完全融化金屬粉末，從而使合金零件的致密性和力學(xué)性能下降。關(guān)于鋪粉厚度的研究，PANWISAWAS 等[23]和 QIU 等[24]通過研究鋪粉厚度對合金表面質(zhì)量的影響發(fā)現(xiàn)，鋪粉厚度較低時有利于合金表面的成形質(zhì)量，當(dāng)鋪粉厚度超過0.04 mm時，合金的表面粗糙度和孔隙率都會增大。繼續(xù)增加厚度，合金的成形質(zhì)量會更加惡化。

SLM 成形的零件質(zhì)量也受掃描策略的影響，掃描策略分為同層掃描和異層掃描，常見的同層掃描方式有島式掃描和 S 形掃描[25?26]。有研究指出，S形掃描成形質(zhì)量較差，主要因為大溫度梯度和應(yīng)力集中。相比之下，島式掃描是一種短邊掃描方式，能夠避免這些問題。但在島嶼的邊緣可能會產(chǎn)生二次升溫現(xiàn)象，從而影響表面質(zhì)量。異層掃描原理是每掃描完成一層，激光按掃描角度旋轉(zhuǎn)繼續(xù)掃描下一層。異層掃描能夠有效地降低殘余應(yīng)力，并被眾多國內(nèi)外學(xué)者廣泛應(yīng)用。一些研究發(fā)現(xiàn)，在旋轉(zhuǎn)角度為 67°或 90°時，合金產(chǎn)生的殘余應(yīng)力較小[27?28]。因此，適當(dāng)?shù)膾呙璺绞侥軌蛱岣?SLM 技術(shù)的成形質(zhì)量，并減少殘余應(yīng)力，對提高加工效果具有重要意義。

1.3 合金粉末

目前，SLM技術(shù)常用已有牌號的鈦合金粉末，合金粉末的原材料需要具備一系列優(yōu)良特性，包括粒徑細(xì)小、粒度分布窄、球形度高、流動性強以及松裝密度高等[29]。在國內(nèi)外，生產(chǎn)合金粉末的公司采用多種技術(shù)，包括等離子旋轉(zhuǎn)電極法、稀有氣體霧化法、感應(yīng)等離子球化法以及感應(yīng)等離子霧化法[30]。現(xiàn)在使用較廣泛的是稀有氣體霧化法，然而，由于該法對鈦合金粉末的質(zhì)量要求高，導(dǎo)致粉末的生產(chǎn)成本相對較高。因此，現(xiàn)需進一步研發(fā)鈦合金粉末的生產(chǎn)工藝，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，實現(xiàn)低成本的鈦合金 SLM 成形，這將有助于推動 SLM 技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，為制造業(yè)帶來更為經(jīng)濟高效的解決方案。這一挑戰(zhàn)性的目標(biāo)需要產(chǎn)業(yè)界、研究機構(gòu)和政府共同努力，以推動合金粉末制備技術(shù)的創(chuàng)新和進步[31?32]。

1.4 數(shù)值模擬

困擾 SLM 鈦合金工業(yè)化的重要因素之一就是成本問題，控制成本是目前研究人員面臨的主要難題，早期有學(xué)者提出通過模擬手段進行預(yù)加工，來規(guī)避產(chǎn)品缺陷，提高生產(chǎn)力。目前，SLM 的模擬主要是預(yù)測熔池幾何形狀演變、熱傳導(dǎo)、微觀組織、力學(xué)性能和復(fù)雜幾何形狀下的殘余應(yīng)力等，有限元分析(FEA)、有限體積法(FVM)、離散元法(EDM)、計算流體力學(xué)(CFD)方法以及機器學(xué)習(xí)方法是目前主流的模擬方法[33]。表1所示為常用的模擬方法[34?37]。

除了常見的典型模擬模型外，研究人員還根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境開發(fā)出多種先進、高效的模型，如：為了預(yù)測多晶凝固組織的形成，PINOMAA[38]提出了一種基于擴散界面多相計算流體力學(xué)的大規(guī)模高效傳熱模型，以描述大體積內(nèi)的溫度演化。該模型準(zhǔn)確地描述了熔池內(nèi)的傳熱過程，并對 SLM過程中驅(qū)動凝固的局部熱條件進行了估計，得知對流、馬蘭戈尼效應(yīng)和金屬粉末蒸發(fā)是影響傳熱行為的關(guān)鍵因素。結(jié)果表明，該模型可以快速預(yù)測凝固過程中整體溫度分布和固態(tài)二次熱循環(huán)的溫度分布，并能準(zhǔn)確預(yù)測熔池中缺陷的成形。GUO[39]提出了一種基于固有應(yīng)變法的自底向上改進的綜合建模方法，并用該方法來估計設(shè)計和打印零件之間的表面波動，以此進一步預(yù)測 SLM 零件表面質(zhì)量。

該模型中溫度場是通過虛擬熱源技術(shù)從包含面內(nèi)掃描軌跡熱影響的殘余溫度積分的準(zhǔn)靜態(tài)熱分析模型中獲得。層間應(yīng)變累積和層間重熔效應(yīng)分別通過層間波動疊加和重熔深度參數(shù)嵌入到固有應(yīng)變中，并采用彈性格林函數(shù)模型和修正的彈性麥克道爾解析模型來求解應(yīng)變組。模型中采用的是與溫度相關(guān)的材料特性，最終做到能定量預(yù)測和直觀評價 SLM零件的打印表面質(zhì)量，其分析建模框架如圖 2[39]所示。

數(shù)值模擬在 SLM 技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價值。數(shù)值模擬技術(shù)可以為工藝設(shè)計、材料選擇與性能優(yōu)化、缺陷預(yù)測與質(zhì)量控制以及制造過程優(yōu)化等提供有效的指導(dǎo)。

2 、激光選區(qū)熔化鈦合金

鈦合金根據(jù)合金成分可分為三大類：α+β、β、α鈦合金。在SLM鈦合金的發(fā)展歷史中，α+β鈦合金的研究最為廣泛，其工藝參數(shù)方面的研究已經(jīng)十分成熟。近年來，α+β鈦合金打印件最佳后處理工藝的探索成為了研究熱點。β鈦合金具有出色的生物相容性，常被用于醫(yī)療領(lǐng)域。近年來，研究人員針對SLM β鈦合金的組織性能和熱處理進行深入研究。相較于以上兩種鈦合金而言，α鈦合金加工窗口小、成形性能較差。目前，最佳打印參數(shù)的探索仍是α鈦合金的研究重點。

2.1 α+β鈦合金

在SLM成形鈦合金中，α+β鈦合金的研究歷程最久，其中SLM Ti-6Al-4V鈦合金構(gòu)件已經(jīng)成功應(yīng)用于航空航天和醫(yī)療領(lǐng)域[40?41]。SLM 制備 Ti-6Al-4V時，過大的溫度梯度使得Ti-6Al-4V的基體為柱狀β相和針狀α馬氏體相[42]，這種微觀組織的強度高、塑性差[43]，但經(jīng)過后處理后，塑性會有所改善。

合適的熱處理工藝可以極大地減小快速凝固成形過程中的殘余應(yīng)力，改變組織形貌與尺寸等，從而優(yōu)化組織和力學(xué)性能。SABBAN 等[44]提出在975 ℃和925 ℃兩個溫度循環(huán)退火的方法，誘導(dǎo)熱溝槽和邊界分裂機制，從而實現(xiàn)球化板條α相，最終獲得雙模態(tài)組織，即球狀α和網(wǎng)籃狀組織。球狀組織賦予材料延展性，網(wǎng)籃狀組織賦予材料強度，該雙模態(tài)組織使材料塑性提高了80%，韌性提高了66%，實現(xiàn)了塑性和韌性的良好結(jié)合。XIAO 等[45]通過采用退火的熱處理方法優(yōu)化了SLM Ti-6Al-4V的微觀組織結(jié)構(gòu)，即對 SLM Ti-6Al-4V 合金進行950 ℃退火處理4 h，在消除殘余應(yīng)力的同時將α馬氏體分解為α+β穩(wěn)定相，并且在β相邊界生成等軸αGB，不僅提高了抗裂紋萌發(fā)和擴展能力，還減少了沿晶斷裂，將材料伸長率提高到26.4%。

隨著對 SLM α+β 鈦合金的深入研究，研究人員在傳統(tǒng)熱處理基礎(chǔ)上開展出新型后處理方法。

YAN 等[46]采用脈沖電流處理 SLM Ti-6Al-4V 合金。其實驗分為三組進行，其中，HT 實驗組預(yù)熱至1293 K 保溫 5 min 再空冷。EPT 實驗組在 HT 實驗組基礎(chǔ)上通脈沖電流 400 ms，再加風(fēng)冷處理。ABA+EPT實驗組先退火(700 ℃、16 h)，再通相同參數(shù)條件的脈沖電流。實驗發(fā)現(xiàn)，在相變過程中，脈沖電流會均勻化SLM Ti-6Al-4V合金中α的12種變體。通過EPT組與ABA+EPT組發(fā)現(xiàn)，脈沖電流會引發(fā)熱殘余應(yīng)力，如圖 3(a)~(c)中紅色標(biāo)定部分所示，這是由于脈沖電流導(dǎo)致β晶粒內(nèi)部和β晶界升溫速率不同，使β晶粒發(fā)生塑性變形，從而產(chǎn)生熱殘余應(yīng)力，進而影響α的形核和變體的選擇。由于界面的不穩(wěn)定機制，α 晶粒優(yōu)先在晶界處形核，并在高溫作用下長成集束狀組織。同時，在β晶粒內(nèi)部存在大量的位錯(見圖3(f))，β晶粒內(nèi)部的位錯會通過增加原子擴散速率來加速相轉(zhuǎn)變，且較高的相變速率有利于網(wǎng)籃狀組織的形成。由于α變體在原始β晶界和β晶粒內(nèi)部競爭形核，空冷后會形成集束狀和網(wǎng)籃狀混合組織。小尺寸的集束狀組織起到細(xì)晶強化作用，提高了材料的屈服強度；網(wǎng)籃狀組織可以阻礙位錯運動和微裂紋擴展，從而提高材料的延展性。

ABA+EPT實驗組的微觀組織表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能，其塑性比打印態(tài)組織高出66%。LI 等[47]在傳統(tǒng)熱處理工藝基礎(chǔ)上加入磁場對SLMed Ti-6Al-4V合金進行處理，分別在0 T、2 T、4 T、6 T、8 T、10 T的磁場強度和400 ℃溫度下處理30 min，其實驗結(jié)果見圖4。結(jié)果表明，磁場會促進α′馬氏體向α+β轉(zhuǎn)變。強磁場與退火的耦合作用加速了馬氏體的分解，減小了α′/α板條的寬度，這是由于強磁場熱處理改變了相變的熱力學(xué)驅(qū)動力。8 T實驗組試樣的組織中存在大量超細(xì)α+β相，該組試樣具有適中的強度和優(yōu)異的延展性。該研究提出的短時處理工藝加速了SLM Ti-6Al-4V結(jié)構(gòu)部件在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用。

竇恩惠等[48]研究了退火熱處理對SLM成形Ti-6.5Al-3.5Mo-l.5Zr-0.3Si(TC11)合金的影響。結(jié)果顯示，經(jīng)950 ℃退火1 h后，α片層細(xì)密，且晶界α相由連續(xù)分布轉(zhuǎn)變?yōu)榉沁B續(xù)分布。非連續(xù)的α相能有效地阻礙位錯的運動。退火態(tài)的TC11鈦合金強度和塑性匹配更佳，其抗拉強度和斷后伸長率分別為1051 MPa和19.8%。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對激光選區(qū)熔化α+β鈦合金的研究集中于Ti-6Al-4V鈦合金，對其他新型α+β鈦合金的開發(fā)尚且不夠。

2.2 β鈦合金

β鈦合金具有較低的彈性模量、形狀記憶性能、優(yōu)異的耐腐蝕性和良好的生物相容性，是生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域最具吸引力的材料之一[49]。SLM 技術(shù)具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)凈成形的特點，可以實現(xiàn)臨床醫(yī)學(xué)中不同病人獨特的骨骼結(jié)構(gòu)假體的快速制備。同時，SLM技術(shù)制備的構(gòu)件表面質(zhì)量較高，經(jīng)過簡單的處理就可以投入使用。因此，SLM β鈦合金在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景。在成形性能方面，SLM制備的β鈦合金相比于傳統(tǒng)加工工藝具有很大優(yōu)勢。SLM制備β鈦合金過程中會發(fā)生大量無擴散相變并且產(chǎn)生少量細(xì)小的孿晶，這種變化會給材料帶來性能上的提升，因此,研究人員著重關(guān)注SLM β鈦合金微觀組織演變與性能 強 化 機 制 。 基 于 HANN[22] 的 公 式 ， 即 式 (1)，LUO 等[50]采用 160 W 的激光功率和 600 mm/s 的掃描速度打印 Ti-34.2Nb-6.8Zr-4.9Ta-2.3Si(TNZTS)合金，成功調(diào)節(jié)熔池模式為傳導(dǎo)熔池模式，進而通過調(diào)節(jié)掃描速度和激光功率來調(diào)控熔池模式，從而避免了絕大多數(shù)的孔隙缺陷，其熔池截面形貌見圖5。

該打印工藝成功將SLMed TNZTS合金試樣的致密度提高到99.7%。SLMed TNZTS合金的基體由β-Ti柱狀晶界及其周圍的薄殼狀 S2 相和 β-Ti 基體中的超細(xì)點狀S1相組成，并表現(xiàn)出1286 MPa的超高屈服強度、2375 MPa 的高抗壓強度和 79 GPa 的低彈性模量。超高強度是由高密度位錯、半共格 S1 相和共格 S2 相對位錯的有效阻擋誘導(dǎo)的位錯強化所致。

研究發(fā)現(xiàn)，多數(shù)SLM β鈦中會發(fā)生相變誘導(dǎo)塑性(TRIP)和孿生誘導(dǎo)塑性(TWIP)效應(yīng)，這會增強構(gòu)件的延展性[51]，LIU等[52]在SLM Ti-25Nb-3Zr-3Mo-2Sn(TLM) 合 金 時 也 發(fā) 現(xiàn) 該 現(xiàn) 象 ， 發(fā) 現(xiàn) TRIP 和TWIP效應(yīng)會避免多孔結(jié)構(gòu)發(fā)生分層斷裂，提供了一種通過相變和孿晶耦合效應(yīng)引發(fā)多孔金屬材料非分層斷裂的新型強化模型。QIU 等[53]采用 SLM 技術(shù) 制 備 了 一 種 亞 穩(wěn) 態(tài) β 鈦 合 金 (Ti-10V-2Fe-3Al(Ti1023))，研究表明 SLMed Ti1023 合金屈服強度要高于傳統(tǒng)水淬工藝處理的Ti1023合金。這是因為在 SLM 制備過程中，快速冷卻產(chǎn)生的固溶強化賦予了材料高的屈服強度，并且 SLMed Ti1023 合金的微觀組織中具有細(xì)小晶粒、納米尺寸的ω相和高密度的位錯，從而誘導(dǎo)細(xì)晶強化、第二相強化以及位錯強化機制。

SLM 技術(shù)的性能優(yōu)勢不僅僅體現(xiàn)在強度和塑性方面，在耐腐蝕性能方面也有出色的表現(xiàn)。

PEDE等[54]的實驗發(fā)現(xiàn)，SLM打印的材料表面質(zhì)量更佳。其實驗材料采用 SLM 制備的 Ti-42Nb 和 Ti-20Nb-6Ta兩種新型β鈦合金。研究表明，SLM制備的材料表面粗糙度更低，抗腐蝕性能更佳，其材料表面質(zhì)量如圖 6[54]所示。在此基礎(chǔ)上 PEDE 還增加了一組精細(xì)打磨的試驗組，用來規(guī)避表面粗糙度對腐蝕性能的影響。結(jié)果表明，經(jīng)過極化實驗后，SLM制備的兩種新型β鈦合金表面沒有出現(xiàn)明顯的點蝕現(xiàn)象，這是由于Nb和Ta含量的增加促使鈍化層中鉭氧化物和鈮氧化物的形成，從而改進鈍化層結(jié)構(gòu)。SLMed材料耐腐蝕性增強的原因歸結(jié)于優(yōu)異的表面質(zhì)量和特殊的鈍化層結(jié)構(gòu)。其中，Ti-42Nb的鈍化層在非常高的電位下似乎更穩(wěn)定，高抗腐蝕性新型β鈦合金的成功研制為鈦合金在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了推動力。

SLM β鈦合金存在典型的柱狀晶組織，這些柱狀晶是打印過程中在熔池中擇優(yōu)生長形成的，有明顯的各向異性。ZHOU等[55]對此展開研究，發(fā)現(xiàn)在沿單軸單向掃描的試樣中，β晶粒呈現(xiàn)出〈011〉擇優(yōu)取向，這是由沿著與構(gòu)建方向呈 45°的生長的、〈001〉晶向的兩個相互垂直的晶粒碰撞產(chǎn)生的。旋轉(zhuǎn)90°單向掃描的試樣顯示出〈001〉晶向，這是由熔

池中心垂直生長的柱狀晶生長形成的。這些強織構(gòu)結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致力學(xué)性能的各向異性，甚至可能會引起著的局部應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致材料失效，阻礙材料在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)用。近期，QI 等[56]研究發(fā)現(xiàn)，通過退火熱處理可以降低材料的各向異性 ，對打印態(tài) Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe(Ti55511)合金進行退火處理((950 ℃, 15 min)+WQ+(950 ℃,30 min)+WQ+(950 ℃, 30 min)+WQ))后誘導(dǎo)柱狀晶等軸化。打印態(tài)Ti55511合金中存在較高的位錯密度和大量的小角度晶界。富集小角晶界的β晶粒具有較高的應(yīng)變能，在熱處理作用下更容易發(fā)生再結(jié)晶。SLMed Ti55511合金試樣在高溫?zé)崽幚砗笮纬闪说容Sβ晶粒和隨機取向分布的穩(wěn)定組織。這種微觀結(jié)構(gòu)的各向異性較低，更利于實際應(yīng)用。該退火方式大大推動了SLM β鈦合金的工業(yè)化生產(chǎn)。

QI等[57]分析了固溶前后SLMed近β鈦合金(Ti-6Zr-5Fe)頂部和底部組織差異以及顯微硬度差異的原因。這主要是打印件底部受到的熱影響較強，相當(dāng)于進行了熱處理，所以打印態(tài)底部組織中會出現(xiàn)αGB相，且由于底部的 α 相受熱影響作用，其尺寸也較大。QI 等[57]對 SLMed Ti-6Zr-5Fe 合金進行860 ℃、1 h固溶處理，結(jié)果表明，頂部組織中α相完全溶解并且 β 相尺寸增加，底部組織中的 αGB相在固溶過程中阻礙 β 相的長大，最終頂部組織以 β相為主，底部以β相和αGB相為主，且底部β相的尺寸小于頂部β相的尺寸。由于打印態(tài)試樣頂部具有細(xì)小的 α 相，故其頂部的顯微硬度(518HV)要高于底部(394HV)。固溶態(tài)試樣的頂部和底部的顯微硬度分別為 482HV 和 475HV，頂部顯微硬度下降的主要原因在于α相是β鈦合金的強化相，而固溶后，頂部細(xì)小的α相消失，導(dǎo)致頂部硬度下降。而底部硬度上升的原因是因為 Fe 和 Zr元素的固溶強化作用提高了材料的顯微硬度。

2.3 α鈦合金

α鈦合金可以長時間在高溫(500~600 ℃)環(huán)境下服役，有良好的熱穩(wěn)定性、抗氧化性和焊接性能[58?59]。α鈦合金在室溫和高溫下的高強度使其成為制造艙壁和機艙中心梁框架的最佳材料[60]。為滿足輕量化設(shè)計和減少成本的需求，飛機部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計愈發(fā)復(fù)雜化，但傳統(tǒng)加工方法很難滿足要求。

因此，研究人員開展 SLM 一體化成形 α 鈦合金的研究。

目前，研究人員針對SLM α鈦合金的工藝參數(shù)和后處理對微觀組織及力學(xué)性能的影響開展研究。

CAI 等[61]研究了工藝參數(shù)、熱處理對 SLM 構(gòu)建 Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V(TA15)合金微觀組織及力學(xué)性能的影響，采用多組不同工藝參數(shù)打印 TA15 鈦合金，將不同能量密度的工藝分成三個具有代表性的區(qū)域，即高能量密度區(qū)、適宜能量密度區(qū)和不足能量密度區(qū)。SLMed TA15 打印件宏觀結(jié)構(gòu)如圖 7所示，其中激光功率 230~380 W 和掃描速度 675~800 mm/s 是 SLMed TA15 合金的最佳加工參數(shù)范圍，因為在該參數(shù)范圍內(nèi)，合金具有合適的熔池重疊比，并且打印件表面質(zhì)量良好、具有較高的致密度。室溫下 S17 的抗拉強度達到 14221.1 MPa，伸長率為9.5%，500 ℃下抗拉強度達到990 MPa，伸長率為 15.6%。后續(xù)，CAI 等[61]將 S17 樣品的打印厚度改為60 μm，然后對打印態(tài)的樣品進行750 ℃退火處理。在退火過程中，合金微觀組織的演變過程為：細(xì)板條狀(α+β)和針狀α馬氏體相→全板條狀(α+β)→粗板條狀(α+β)和板條狀(α+β)。退火后，試樣在室溫下的抗拉強度達到1123.6 MPa，伸長率為11.3%；500 ℃下，抗拉強度達到757.1 MPa，伸長率為 13.4%。CAI 等[61]的研究為 SLM 構(gòu)建 TA15 鈦合金做出了卓越貢獻，同時，滿足了輕型強韌化合金的工業(yè)需求。隨后，JIANG 等[62]通過優(yōu)化 SLMTA15 鈦合金工藝參數(shù)的方式，將打印件抗拉強度和硬度分別提高到 1296 MPa 和 395HV，但其塑性較差，只有 7.6%(見圖 8)。由圖 8 可看出，試樣微觀結(jié)構(gòu)中存在細(xì)小孿晶和大量位錯，其中細(xì)小孿晶有效阻礙晶體中位錯滑移。孿晶界通過有效地阻止材料中的裂紋擴展和阻礙位錯運動來提高材料的強度。

FAN 等[63]成功采用 SLM 制備出高溫近 α 鈦合金 Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo(Ti-6242)，并對試樣進行時效處理(595 ℃，8 h)，研究時效對微觀組織、力學(xué)性能的影響。結(jié)果顯示，打印態(tài)的組織為典型的針狀 α 馬氏體和 β 基體，其中 α 馬氏體中存在細(xì)小的孿晶，這些孿晶是由熱源的反復(fù)加熱所形成的。試樣在室溫下的抗拉強度為 1438 MPa，伸長率為5.3%。時效后，α 馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)?α 和 β 穩(wěn)定相，組織呈 α 和殘余 α 馬氏體交錯的片層結(jié)構(gòu)，且在 α 馬氏體周圍存在少量納米β晶。時效后，材料抗拉強度達到 1510 MPa，伸長率僅有 1.4%。通常，經(jīng)過時效處理后，材料組織結(jié)構(gòu)中的位錯消解，材料會發(fā)生軟化現(xiàn)象，但是在此研究中，納米級β晶的出現(xiàn)會導(dǎo)致時效后硬度反而升高，達到 451HV。

WANG等[64]對SLM TA15鈦合金做了四組熱處理實驗：以 10 ℃/min 速度升溫至預(yù)定溫度(950 ℃、1000 ℃、1050 ℃、1100 ℃)，并保溫2 h進行水淬，然后在600 ℃下保溫4 h，再空冷。通過表征發(fā)現(xiàn)，熱處理前基體中存在大量不同尺寸的α馬氏體，其中尺寸較大的是一次馬氏體，二次、三次馬氏體尺寸逐漸減小，馬氏體中存在大量位錯和孿晶。相比之下，熱處理后的組織更加均勻，基體中小角度晶界減少、大角度晶界增加。在熱處理過程中，馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S狀初生α相和片層狀次生α相。隨著熱處理溫度的升高，試樣的延展性先升高后降低。這是由于等軸初生α相的尺寸隨著溫度的升高而逐漸增大。在一定范圍內(nèi)，更多更大的等軸α相有利于提高試樣的延展性。但是，尺寸過大的等軸α相可能導(dǎo)致晶粒中形成孔洞或使晶粒變形不均勻，從而降低材料的塑性。隨著溫度的升高，材料的抗拉強度呈先升高后降低的趨勢。這是由于層狀次生α相的寬度逐漸減小，在一定范圍內(nèi)減少層狀次生α相的數(shù)量和厚度有利于試樣的高溫強度。層狀次生α相通過抑制位錯的移動來提高材料的抗變形能力。

經(jīng) 1000 ℃固溶處理后，試樣表現(xiàn)出最佳的綜合力學(xué)性能，其高溫抗拉強度為715 MPa，對應(yīng)的伸長率為24.5%。

3、 激光選區(qū)熔化鈦合金應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 航空航天領(lǐng)域

國家在航空航天領(lǐng)域的發(fā)展情況可以側(cè)面反映國家制造業(yè)水平，同時也是國家軍事力量強弱的體現(xiàn)。航空航天領(lǐng)域的構(gòu)件往往服役于極端艱苦的條件，其構(gòu)件要求具有超輕量化、高耐熱性、耐腐蝕、超高承載等特性，并且結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜[65?66]。

SLM 制備的鈦合金構(gòu)件因出色的力學(xué)性能和一體化成形的特點而被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。

2019 年，空客公司利用 SLM 技術(shù)制造的飛機用 Ti-6Al-4V 支架相比傳統(tǒng)加工方式制備的支架減重了約30%[67]。此外，該公司還成功實現(xiàn)客機艙門鎖閂軸的一體化制造，將 10 個零件整合為 1 個零件，實現(xiàn)了減重降本的目標(biāo)。同樣，GE公司利用SLM 工藝完成了航空發(fā)動機燃油噴嘴的一體化成形，如圖9(a)所示，將20個零件集成為1個部件進行打印，不僅減重25%，而且實現(xiàn)數(shù)萬個零件的批量制造。此外，GE公司還利用SLM完成了發(fā)動機電動門支架的制造，如圖9(b)所示，減重10%，減少了90%的原材料浪費。

這些創(chuàng)新應(yīng)用在航空領(lǐng)域展現(xiàn)了 SLM 技術(shù)的重要地位和潛在的成本效益，為航空工業(yè)的發(fā)展帶來了新的前景[68]。中國航天科工集團有限公司和鑫精合激光科技發(fā)展(北京)有限公司合作開發(fā)、采用SLM工藝打印的某噴管產(chǎn)品，其尺寸為d 580 mm×500 mm, 材料為TA15，具有壁厚薄、復(fù)雜內(nèi)流道一體成形、結(jié)構(gòu)一致性好的特點，達到了減重和結(jié)構(gòu)功能一體化的效果[69]。本課題組通過模擬和預(yù)實驗對比了8組不同工藝參數(shù)下的SLMed Ti-6Al-4V鈦合金試樣，經(jīng)過篩選，選用成形性最佳的工藝參數(shù)來打印渦輪葉片部件。其中，所使用的打印機為寧夏共享集團提供，其渦輪葉片部件如圖10所示。

目前，SLM 航空航天用鈦合金面臨的主要問題是如何在高溫環(huán)境下保證高強度的同時還能提高材料的韌性，這迫切需要服役溫度在600 ℃以上并且兼具優(yōu)良 SLM 工藝性的高溫高強鈦合金。有研究發(fā)現(xiàn)，有望在雙模態(tài)組織中實現(xiàn)材料高強度和高韌性結(jié)合，但這仍需要更加深入的研究。同時，目前有關(guān)高溫高壓環(huán)境下 SLM 鈦合金材料的研究尚不深入。

3.2 醫(yī)療領(lǐng)域

低密度、低楊氏模量、良好的力學(xué)性能、良好的耐腐蝕性和高的生物相容性等特點使鈦合金成為生物醫(yī)學(xué)植入中最理想的材料之一[70?74]。如果醫(yī)用材料制成的假體與周圍骨模量的差異很大，則會導(dǎo)致假體周圍產(chǎn)生骨吸收應(yīng)力，使假體松動，甚至導(dǎo)致患者進行痛苦的翻修手術(shù)。這種骨吸收應(yīng)力的現(xiàn)象被稱為“應(yīng)力屏蔽效應(yīng)”。研究人員發(fā)現(xiàn)，多孔結(jié)構(gòu)可以降低材料的模量和重量，從而削減應(yīng)力屏蔽效應(yīng)[75]。SLM 技術(shù)既能有效縮短加工周期，又能實現(xiàn)精密零件一體化成形，為鈦合金在醫(yī)療領(lǐng)域的發(fā)展提供平臺。

2018年，華南理工大學(xué)BAI等[76]通過對一位骨盆骨折患者的骨盆部位進行分析，設(shè)計了一種針對性的 Ti-6Al-4V 鈦合金假體接骨板，其設(shè)計過程見圖 11(a)，所得的假體硬度為 1360~1390HV，抗拉強 度 為 1000~1100 MPa， 屈 服 強 度 為 900~950MPa，伸長率為8%~10%。SLM制備的具有個性化結(jié)構(gòu)的假體成功用于臨床手術(shù)，這不僅使手術(shù)時長縮短了 2 h，給患者減輕了痛苦，也為醫(yī)生減輕了負(fù)擔(dān)。除此之外，BAI等[76]還對一位顱骨骨折患者進行分析，設(shè)計了一種個性化的 Ti-6Al-4V 鈦合金顱骨假體。為了減小應(yīng)力屏蔽效應(yīng)，他采用了多孔結(jié)構(gòu)，其設(shè)計過程見圖 11(b)。SLM 加工得到的顱骨修復(fù)假體經(jīng)噴砂、超聲清洗、高溫滅菌后可臨床使用。MONDAL 等[77]運用 EOSINT-M280 型號的

SLM 打印機打印出 3 種類型的 Ti-6Al-4V 鈦合金支架(Tesseract、Star、Octet)，見圖 12。其目標(biāo)結(jié)構(gòu)的孔隙率為 65%，實驗樣品中 Star 型支架孔隙率(64.3%)最接近目標(biāo)結(jié)構(gòu)，其余型號的支架孔隙率也能保證在62%以上。同時，實驗打印出的支架的有效彈性模量與人體骨骼也非常接近。除此之外，打印件的抗壓強度很高，可以延長植入物的使用壽命。

2020 年初，首批牙科 SLM 鈦合金粉末成功獲批 CFDA 三類醫(yī)療器械注冊證，標(biāo)志著 3D 打印材料在口腔醫(yī)療領(lǐng)域邁出了重要的一步。這一牙科SLM鈦合金粉末，即“鈦孚美”，填補了該領(lǐng)域的空白，具備多項優(yōu)越的特性：高生物相容性、耐腐蝕、強度卓越、長期使用也不易發(fā)生變形、材質(zhì)輕巧、佩戴舒適以及異物感極小。同時，其導(dǎo)熱慢的特點使得其在佩戴時對牙齦的熱影響相對較輕[78]。這次醫(yī)療器械注冊證的批準(zhǔn)對口腔醫(yī)療領(lǐng)域3D打印材料的應(yīng)用具有歷史性的重要意義，為患者提供更加個性化、符合人體工程學(xué)的治療方案提供了有力支持。產(chǎn)品的技術(shù)特性和獲批證書的取得為醫(yī)療行業(yè)帶來了新的可能，為未來口腔醫(yī)療的發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。隨后，越來越多企業(yè)開啟了對SLM 鈦合金在口腔醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用的探索，例如：中航邁特增材科技(北京)有限公司自主研發(fā)出 Ti-6Al-4V01 鈦合金粉末[79]、江蘇威拉里新材料科技有限公司自主研發(fā)出微米級鈦合金粉末(產(chǎn)品名：VMP-Ti01)用于成形牙科嵌體、冠、橋體、可摘局部義齒支架及卡環(huán)[80]。

4、 展望

SLM 技術(shù)能實現(xiàn)一體化成形，其打印產(chǎn)品的強度高于鍛件，在航空航天(飛機部件)、生物醫(yī)學(xué)(人造骨骼、牙齒等)領(lǐng)域已獲得廣泛應(yīng)用。本文針對近年來國內(nèi)外 SLM 制備鈦合金的研究成果做出以下展望：

1) SLM成形設(shè)備的尺寸限制了SLM技術(shù)在航空航天發(fā)動機制造領(lǐng)域的應(yīng)用。目前，航空航天發(fā)動機零部件成形尺寸小于 500 mm×500 mm×500mm(受打印機基板尺寸限制)，大尺寸 SLM 成形已成為重要發(fā)展趨勢，因此大尺寸、高效率的 SLM成形設(shè)備的研制是SLM技術(shù)發(fā)展的主要方向。

2) SLM 鈦合金的應(yīng)用目前僅限于航空航天和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的小批量和高精度定制零件。對于SLM 鈦合金工業(yè)化來說，其最大的阻礙之一就是成本，昂貴的打印機和粉末原料造成的高制造成本問題仍然有待克服。目前，預(yù)制合金粉末成分范圍窄、成本高以及可用性有限等問題有待解決。

3) 目前，大多數(shù)研究都集中在Ti-6Al-4V合金上，對α鈦合金的開發(fā)尚為淺薄，這提醒了研究人員需要通過 SLM 探索更多的工程鈦合金。工業(yè)上使用的典型合金對 SLM 的適應(yīng)性較差，因此，應(yīng)通過新型成分設(shè)計開發(fā)出性能優(yōu)異的新型鈦合金或獨特的合金體系。

4) 定量分析 SLM 鈦合金方面仍具有很大的挑戰(zhàn)，許多非線性相關(guān)的物理性質(zhì)尚未得到深入定量分析，建議采用超聲波、X射線等熔池在線同步監(jiān)控表征技術(shù)，深入挖掘組織形成機理以及后處理過程中誘導(dǎo)各機制產(chǎn)生的原因。

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