鈦合金激光增材制造:工藝,、材料及后處理綜述

來源：長三角G60激光聯(lián)盟

來自新加坡制造技術研究所（SIMTech）,、中國湖南大學,、德國航空航天中心（DLR）,、德國亞琛工業(yè)大學,、中國南方科技大學、澳大利亞埃迪斯科文大學,、美國加州大學、德國萊布尼茲材料研究所,、不來梅大學,、中國南華大學、長沙理工大學的科研小組報道了鈦合金激光增材制造:工藝,、材料及后處理的綜述研究,。相關論文以“Laser additive manufacturing of titanium alloys: process, materials and post-processing”為題發(fā)表在《Rare Metals》上。

鈦(Ti)合金激光增材制造(LAM)已成為一種在多個行業(yè)具有巨大應用潛力的變革性工藝方案,。為了回顧LAM鈦合金的最新研究進展和技術水平,，本文將對激光粉末床熔融和激光定向能量沉積兩種主要的LAM技術制備的鈦合金進行綜述，涵蓋工藝,、材料和后處理等方面,。本文將系統(tǒng)闡述工藝參數(shù)對LAM鈦合金的影響以及優(yōu)化參數(shù)的策略。綜述將涵蓋LAM制備的各種類型的鈦合金,，包括α鈦合金,、(α+β)鈦合金和β鈦合金的微觀結構和力學性能現(xiàn)狀。系統(tǒng)回顧和討論用于改善LAM鈦合金性能的后處理方法,，包括傳統(tǒng)和新型熱處理,、熱等靜壓和表面處理（例如超聲和激光噴丸）。此外,，綜述了LAM鈦合金的工藝窗口和性能范圍,，并對研究成果進行了分析比較。最后,，本文還重點介紹了鈦合金LAM的未來發(fā)展趨勢,。本篇綜述可以為研究人員和其他從業(yè)者提供參考和借鑒，促進LAM鈦合金及其應用的進一步發(fā)展。

圖1本次回顧范圍,。

圖2a LPBF和b LDED 技術示意圖,。

圖3加工參數(shù)對LAM鈦合金致密化的影響。

圖4加工參數(shù)對LPBF制備的Ti-6Al-4V合金微觀結構的影響,。

圖5加工參數(shù)對LDED制備的Ti-6Al-4V合金顯微組織的影響,。

圖6掃描策略對LAM制備的鈦合金的影響。

圖7層間時間對LAM制備鈦合金的影響,。

圖8鈦合金的反應性LAM,。

圖9樣品結構對LAM制備鈦合金的影響。

圖10成型方向對LAM制備的鈦合金的影響,。

圖11鈦合金LAM的工藝窗口,。

圖12鈦合金LAM的高保真力學建模。

圖13LAM制備的α-Ti合金的微觀結構,。

圖14LAM制備的(α+β)-Ti合金的微觀結構,。

圖15LAM制備的β-Ti合金的微觀結構。

圖16經過各種傳統(tǒng)熱處理的LPBF制成的Ti-6Al-4V微觀結構,。

圖17為LPBF制備的Ti-6Al-4V合金定制的新型熱處理,。

圖18 HIP對LAM制成的Ti-6Al-4V合金的影響。

LAM 有各種工藝參數(shù),，它們對熔池形狀,、熱歷史和入射能量有重大影響，從而影響LAM Ti 合金的微觀結構,、殘余應力和性能,。在這項工作中，深入討論了各種工藝參數(shù)對鈦合金LAM 的影響,。討論了優(yōu)化加工參數(shù)的幾種策略：激光能量密度,、加工窗口映射和高保真力學建模。適當?shù)募す饽芰棵芏葘τ诜乐谷毕莺瞳@得高密度零件至關重要,。加工窗口映射有助于確定實現(xiàn)高密度部件的參數(shù)組合,。總之,，控制加工參數(shù)是獲得理想性能的關鍵,。要在最大限度減少缺陷和優(yōu)化力學性能的同時獲得高密度部件，需要了解各種加工參數(shù)之間的相互作用,。該領域的進一步研究無疑將改進LAM Ti合金的加工技術并擴大其工業(yè)應用,。
圖19總結了LAM鈦合金的力學性能。值得注意的是,，在LAM成型狀態(tài)下,，α-Ti和(α+β)-Ti合金的力學強度通常高于β-Ti合金,。LAM加工的α-Ti和(α+β)-Ti合金的力學性能相似，這是因為它們具有相似的馬氏體α′結構,。由于具有高溫穩(wěn)定性和高蠕變強度,，LAM加工的α-Ti合金（如Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo）有望用于高溫應用,。相比之下,，由于(α+β)-Ti 合金的微觀結構更具可調諧性，因此(α+β)-Ti合金可實現(xiàn)的力學性能比α-Ti合金更廣泛,。盡管如此,，這也表明(α+β)-鈦合金制造的LAM工藝參數(shù)應更加謹慎。在β含量較高的情況下,，AM加工的（α+β）-鈦合金（如Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo）中會形成α′′相,，從而提供優(yōu)異的延展性和相當?shù)牧�學強度。如圖19所示,，β-Ti合金的微觀結構一般由可轉移的β相組成,，其強度相對低于α-Ti 和（α+β）-Ti合金。LAM加工的β-Ti合金（如Ti-24Zr-4Nb-8Sn,、Ti-13Nb-13Zr）的優(yōu)點是具有良好的生物相容性和較低的彈性模量,，這對生物醫(yī)學植入材料很有吸引力。另外,，一些通過LAM制備的高強度β-Ti合金（例如，Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo）也有報道,，但要獲得優(yōu)異的力學強度,，通常需要進行后時效處理。例如,，LPBF制備的和LDED 制備的Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo合金（稱為 Beta C）在經過適當?shù)臅r效處理后,，拉伸強度分別達到1611 MPa和1510 MPa。

圖19 LAM制備的鈦合金的力學性能總結,。

后處理有助于提高LAM Ti合金的整體性能,。最常用的兩種LAM Ti合金后處理方法是PHT 和HIP。就LAMα和(α + β)-Ti合金而言,，PHT或HIP可用于分解馬氏體 α′相,，從而改善延展性和疲勞性能。相反,，對于LAM β-Ti合金,，PHT或HIP可促進α相的析出，從而提高合金的整體強度,。值得注意的是,，HIP處理會改變合金的微觀結構,，有效封閉缺陷和孔隙。  此外,，對LAM Ti合金零件進行表面處理以消除缺陷,，大大有助于提高疲勞性能。

圖20鈦合金LAM的未來研發(fā)（R&D）趨勢,。

LAM的進步為提高LAM制成的Ti合金的利用率開辟了新的途徑,。文章深入探討幾個關鍵的新興研發(fā)趨勢，包括智能工藝優(yōu)化,、工藝創(chuàng)新,、材料創(chuàng)新和端口加工創(chuàng)新，如圖 20 所示,。

通過應對這些機遇和挑戰(zhàn),，研究人員和工程師可以極大地推動LAM Ti合金領域的發(fā)展，為其在各行各業(yè)更廣泛,、更具影響力的應用鋪平道路,。

論文鏈接：

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