引言

鈦合金因具有比強度高、耐腐蝕性好、密度小、熱強度高、低溫性能好、彈性模量小、生物相容性優良等優點，而在航空航天、兵器工業、核能裝備、石化裝備、醫療器械等領域得到大量應用[1,2]。對于鈦合金，傳統的加工方式主要為:銑削、鍛造、軋制、擠壓、拉拔等，但由于鈦合金具有較低的熱導性和較低的體積比熱以及較高的高溫強度，使得鈦合金傳統加工方式生產周期長、生產成本高、加工難度大，大大限制了鈦合金在工業生產上的應用[3,4]。特別是在航空航天領域，隨著輕量化設計及對成本管控要求的越來越高，相關零部件的內部結構和外觀設計越來越復雜，這對傳統的加工制造方式提出了更高的挑戰，甚至無法完成加工制造[5]。

近幾十年成形并獲得快速發展的增材制造技術，可以輕松突破鈦合金在傳統加工方式中存在的局限性。激光選區熔化技術(Selective Laser Melting，簡稱SLM)作為增材制造領域最具代表性的技術，因具有成形精度高、成形零件致密度高、良品率高、制造適應性強等特點，在鈦合金相關的高端裝備制造領域獲得廣泛應用[6]。SLM技術原理如圖1所示:首先利用分層切片軟件獲得零部件每一層的截面信息和掃描軌跡，然后以激光為熱源，激光振鏡系統在計算機的控制下根據獲得的截面信息和掃描軌跡逐層選擇性地使金屬粉末快速熔化后凝固結晶，逐層堆積最終形成所需要的零部件[7-9]。SLM增材制造鈦合金技術是近些年快速發展起來的一項技術，國內外很多科研工作者針對這一領域開展了大量研究工作，盡管該項技術在商業化應用方面還處于起步階段，但也取得了大量研究成果[10-12]。本文就針對近幾年的最新研究成果，組織性能、制造結構及后處理等幾個方面加以總結，以促進對該技術的研究，推動該項技術更快、更廣泛地走向產業化。

1、增材制造工藝的研究

對于SLM技術增材制造鈦合金工藝的研究，世界各國的學者開展了大量工作，研究內容主要聚焦在增材制造工藝參數對增材制造產品精度、表面粗糙度、致密度等的影響方面。研究對象主要涉及到激光功率、掃描速率、單層鋪粉厚度等主要參數，對于次要工藝參數:光斑大小、掃描路徑、成型方向、支撐添加等則研究較少[13-15]。隨著對SLM技術研究的深入以及SLM技術的進步，對于鈦合金SLM增材制造工藝的研究提出了更多工藝參數以及更科學的工藝參數。福州大學的邵海龍等人[16]通過控制激光功率、掃描速率、單層鋪粉厚度構筑單層單熔道，對比了線能量密度和體能量密度對鈦合金成形質量的影響，修正了體能量密度的計算方法。同時，也證明了體能量密度相對線能量密度對SLM增材制造鈦合金成形質量具有更緊密的相關性，更適合作為評定增材制造成形質量的關鍵工藝參數。

為了提高SLM增材制造產品的尺寸和制造速率，最近幾年又出現了雙光束SLM技術、多光束SLM技術。雙光束SLM技術和多光束SLM技術的出現又引入新的工藝參數，例如:拼接順序、掃描順序、掃描路徑、激光數量等[17]。華中科技大學的佘保楨對比研究了單光束、雙光束、四光束SLM增材制造鈦合金過程中，拼接寬度、掃描方向、掃描策略、掃描寬度等工藝參數對成形質量的影響，這為多光束SLM增材制造工藝的應用和工藝優化打下了基礎[18]。

為了進一步提高SLM技術增材制造鈦合金的性能，部分研究人員還提出了在增材制造的過程中添加增強相的工藝方法。例如阿迪理工學院的Bonthala等人[19]通過在鈦合金SLM增材制造的過程中添加生物硅石增強相的方式，顯著提高了增材制造鈦合金的機械性能。哈爾濱工業大學的安奇[20]等人通過使用少量的TiB₂顆粒在原位制備了TiB菱形晶(TiBw)增強的Ti6.5Al2.5Zr1Mo1V復合材料，通過調整工藝參數不僅可以提高鈦合金的強度，同時還能提高致密度。浙江海洋大學的李振華團隊和程玉龍團隊向SLM增材制造的鈦合金中分別添加了不同含量的CeO₂、不同含量的Y₂O₃,結果表明添加適量的兩種化合物可以顯著提高鈦合金的強度和耐磨性[21,22]。

從以上研究成果來看，近些年對于SLM技術增材制造鈦合金工藝的研究，主要還是集中在增材制造工藝的改進和工藝參數的優化方面[23,24],對于工藝參數影響成形質量的機理方面的研究還比較少,這不利于從根本上解決成形質量缺欠的問題。

2、組織性能的研究

2.1增材制造鈦合金組織性能的研究

隨著SLM增材制造鈦合金技術在工業生產中的應用，越來越多的研究人員將研究重點聚焦在增材制造鈦合金的組織性能方面。對于鈦合金組織的研究主要是:增材制造合金的結晶組織、組織分布、物相含量及分布、晶粒尺寸、晶粒形狀及組織缺陷(空隙、未熔合、裂紋、殘余應力)等;對于鈦合金力學性能的研究主要是:強度、硬度、疲勞性能、磨損性能以及力學性能的各向異性等方面[25-30]。美國能源部的Isuri等人[31]主要研究了SLM增材制造鈦合金Ti-5553(Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr)的微觀結構、維氏硬度以及電化學性能，并對比研究了表面處理(打磨和拋光)前后鈦合金樣品的耐腐蝕性。結果表明，打磨和拋光處理可以提高鈦合金樣品的耐腐蝕性。西班牙馬拉加大學的安德烈斯等人[32]通過拉伸試驗、雙缺口拉伸試驗和埃里森杯形試驗等手段研究了SLM增材制造鈦合金Ti6Al4V的延展性，表明增材制造的鈦合金樣品的延展性低于軋制鈦合金的延展性，同時指出后熱處理可以提高增材制造鈦合金樣品的延展性。

由于鈦合金具有良好的生物相容性，有些學者還針對SLM增材制造鈦合金的生化性能進行了研究。中南大學的ZhuMZ等人[33]針對SLM增材制造的Ti-3Cu合金的耐腐蝕性和抗菌性進行了研究。研究結果表明，相對CP-Ti合金，Ti-3Cu合金的耐腐蝕性和抗菌性均都較高。石勒蘇益格-荷爾斯泰因大學醫學院的Hendrik等人[34]針對SLM增材制造的NiTi鈦合金在骨內和骨膜下應用時的生物相容性進行了研究，表明SLM增材制造的NiTi合材料具有良好的生物相容性，適用于骨內和骨膜下的種植。

近幾年，有關學者還對比了不同增材制造技術制備的鈦合金組織性能的差異。墨西哥國立自治大學的Liliana等人[35]針對電子束熔化(ElectronBeamMelted，簡稱EBM，技術原理如圖2所示)增材制造技術和SLM增材制造技術制備的Ti-6Al-4V合金的微觀組織結構和性能進行了對比研究，結構表明兩種方式制備的Ti-6Al-4V合金內a相和β相的含量相當，但EBM制備的樣品晶格參數更大、屈服強度更高、耐腐蝕性更好。美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的Bertsch等人[36]對比研究了EBM和SLM兩種不同方式增材制造的鈦合金微觀組織特征與材料變形、失效機理之間的關系，結果表明EBM增材制造的鈦合金孔隙率更低，同時還證明了相分布和孔隙密度是材料屈服強度和失效應變最主要的影響因素。北京科技大學的徐偉等人[37]對比研究了SLM增材制造和激光金屬沉積(LaserMetalDeposition，簡稱LMD)增材制造鈦合金Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V(TA15)的腐蝕性能和磨損性能，并與傳統的鍛造鈦合金進行了比較，其研究結果表明SLM增材制造的TA15鈦合金,比LMD制造的TA15鈦合金和鍛造的TA15鈦合金具有更好的耐磨性和耐腐蝕性。

從以上研究結果可以看出，當前對于SLM增材制造鈦合金的研究還主要局限于靜態機械性能的研究及實驗室條件下組織性能的研究，對于服役狀態的動態組織演變和機械性能的研究還比較少。例如，對鈦合金部件在高溫、低溫、腐蝕等苛刻服役條件下的組織演變、機械性能的研究等，這些研究對于推動SLM增材制造鈦合金在工業生產上應用大有裨益。

2.2工藝參數對組織性能影響的研究

SLM增材制造鈦合金的組織性能與增材制造的工藝參數密切相關，因此很多學者針對增材制造的工藝參數對鈦合金的組織性能的影響開展了大量研究。研究中涉及到的工藝參數主要有激光功率、掃描速率、能量密度、層厚等，主要研究了這些工藝參數對增材制造鈦合金的顯微組織、力學性能、致密度、粗糙度、耐腐蝕性等性能的影響[38,39]。福建理工大學的劉晨等人{40}通過數值模擬與實驗相結合的方式研究了SLM增材制造TC4鈦合金時熔融軌跡重疊率對鈦合金致密度和力學性能的影響，兩種研究方式都證明了過小的熔融軌跡重疊率會降低鈦合金的致密度，過大的熔融軌跡重疊率會降低鈦合金的強度。該研究建立了熔融軌跡重疊率和SLM增材制造鈦合金成形質量的關系，這為以后利用數值模擬的方式預測SLM增材制造鈦合金的成形質量提供了最原始的數據模型。

銅陵學院的方軍等人[41]研究了SLM增材制造化硅顆粒增強鈦合金復合材料時，掃描功率對鈦合金復合材料機械性能的影響。結果表明，在一定掃描功率范圍內，鈦合金復合材料的機械性能隨著掃描功率的增大而有所改善。當掃描功率超過某個閾值后，鈦合金復合材料的機械性能會急劇惡化。對于不同掃描功率和掃描速率的組合對SLM增材制造鈦合金的組織性能的影響，長沙理工大學、韓國工業技術研究院、南昌航空大學、首都航天機械的科技工作者都進行了深入研究。研究結果表明不同的掃描功率和掃描速率的組合對SLM增材制造鈦合金的致密度和機械性能會產生顯著影響[42-45]。為了綜合考慮掃描功率和掃描速率的對增材制造鈦合金成形質量和組織性能的影響，土耳其馬尼薩·切拉爾·巴亞爾大學、鄭州輕工業大學等單位的

相關學者采用能量密度來綜合衡量兩者的影響。結果表明能量密度可以綜合衡量掃描功率和掃描速率對SLM增材制造鈦合金的成形質量和組織性能的影響[46,47]。以上研究對于改善SLM增材制造鈦合金的成形質量和組織性能提供了一定的研究方向，但是目前很多研究成果還沒有形成具有一定共識度的結論，工藝參數對SLM增材制造鈦合金組織性能的影響還需要進一步深入研究。

3、增材制造結構的研究

為了適應航空航天、醫療器械等行業的特殊需要，相關科技工作者針對SLM增材制造鈦合金結構開展了大量研究。為了滿足產品輕量化設計的要求，設計人員提出了重量輕、剛度大、能量吸收效率高、力學性能好的多孔金屬。多孔金屬主要分為有序的點陣結構和無序的泡沫化結構兩類[48,49]。華西醫院的李壯壯等人[50]利用SLM技術增材制造了一種功能梯度的大孔鈦合金支架，如圖3所示。該支架具有74%-86%的孔隙率，可以很好地模擬松質骨的自然密度梯度，且彈性模量和屈服強度與松質骨的特性非常相近。因此，這種結構的鈦合金支架的研究開發為腔隙性骨缺損方面的修復提供了更多可能。華中科技大學、南昌航空大學等單位[51,52]針對不同桿徑、尺寸、桿間夾角的點陣結構的SLM增材制造鈦合金的能量吸收率、壓縮模量、延伸率等性能進行了研究，這些研究為開發能量吸收率更好、力學性能更優的鈦合金結構指明了方向。

加拿大西安大略大學的Khaled等人[53]為了進行下頜骨的修復和移植，采用SLM技術增材制造了均勻的鈦合金多孔性結構，如圖4所示，并對其內部缺陷、表面粗糙度及機械性能進行測試，結果證明該結構的彈性模量和強度與下頜骨相同，這項研究若能成功應用于臨床，將可以為患者提供快速的定制化結構的下頜骨移植。羅馬尼亞燃氣輪機研究所的Mihaela等人[54]在制造燃氣輪機葉片的時采用SLM增材制造了帶有內部冷卻通道的燃氣輪機葉片，如圖5所示。通過模擬的方式獲得了增材制造的最佳方向，并對增材制造的精度、表面粗糙度、孔隙、裂紋、未熔合缺陷等進行了檢測，結果表明以上參數都滿足設計要求。該項工作的開展為燃氣輪機葉片的冷卻和輕量化研究提供了新的思路。

4、增材制造后處理工藝的研究

為了提高SLM增材制造鈦合金的組織性能，相關科技工作者針對增材制造的鈦合金開展了各種后處理工藝研究，主要包括:常規熱處理、化學熱處理、機械處理等幾方面。

4.1常規熱處理的研究

對于SLM增材制造鈦合金常規熱處理研究最多的主要是退火、固溶、時效三種工藝。中國核動力研究設計院、中國科學院金屬研究所、上海航天精密機械研究所、重慶大學等單位都對SLM增材制造的鈦合金開展了退火工藝的研究，研究的重點主要是退火溫度及保溫時間對增材制造鈦合金物相組成、微觀組織、力學性能的影響以及退火過程中組織演變規律[55-60]。這些研究的開展為增材制造鈦合金的熱處理工藝提供了原始數據積累，同時也可以推動SLM增材制造鈦合金在航空航天等苛刻服役環境下的工業應用。中國科學院金屬研究所、中國航發北京航空材料研究院、遼寧工程技術大學等單位針對SLM增材制造鈦合金開展了固溶、時效處理的研究。研究結果表明，隨著固溶溫度的升高，鈦合金的抗拉強度和屈服強度逐漸降低，而延伸率逐漸升高。相對固溶處理，經過時效處理后的鈦合金強度明顯提高，延伸率有所下降，同時也證明時效時溫度不宜過高，否則容易導致強化效果的降低[61-64]。

除了以上研究，上海工程技術大學的王明輝等人和上海海事大學的趙元濤等人針對SLM增材制造的TC4鈦合金，開展了熱處理溫度對微觀組織結構、殘余應力、強度、塑韌性、疲勞性能的影響的研究。研究結果表明，隨著熱處理溫度的升高，鈦合金的強度有所降低，但疲勞性能可以得到顯著提升[65,66]。華中科技大學的文世峰等人[67]則針對SLM增材制造鎳鈦(NiTi)形狀記憶合金，開展了熱處理溫度對物相、相變溫度、顯微硬度和力學性能的影響的研究。其研究結果表明，通過調整合理的熱處理溫度，可以調控該合金的相變溫度，也可以提高該合金的力學性能。沈陽理工的大學的李玉海等人[68]研究了SLM增材制造的TC4鈦合金低溫和高溫雙重熱處理對其斷裂韌性的影響。結果表明，低溫熱處理可以消除增材制造鈦合金的內應力，避免高溫熱處理過程中發生明顯變形。高溫熱處理可以通過改善鈦合金的顯微組織，改善鈦合金的斷裂韌性，從而實現增材制造鈦合金的強韌性匹配。以上這些常規熱處理手段，不僅可以改善SLM增材制造鈦合金的顯微組織，同時也可以改善鈦合金的強度、塑韌性、疲勞性能等，有效推動了SLM增材制造鈦合金在工業生產上的應用。

4.2機械處理的研究

SLM增材制造鈦合金盡管具有諸多優點，但通過SLM技術增材制造的鈦合金零件仍存在表面質量欠佳，需要借助一定的機械加工方能滿足使用要求的問題，尤其對于一些高精密的微型零部件，單純依靠SLM增材制造技術無法達到設備需要的表面光潔度和尺寸精度。為了提高SLM技術增材制造的鈦合金零件的表面光潔度和尺寸精度,相關學者提出了微銑削的后處理工藝。香港理工大學的Muhammad等人[69,70]針對SLM技術增材制造的TC4鈦合金開展了材料微觀組織結構(例如晶粒結構、晶粒取向)與微銑削之間的關系。

研究結果表明，相對鍛造鈦合金的微觀組織，SLM技術增材制造的鈦合在微銑削時具有更好的機加工性能，加工獲得的零件表面具有更好的光潔度，加工過程對刀具的磨損也更小。

為了改善SLM增材制造鈦合金零件的表面粗糙度和疲勞性能，芬蘭坦佩雷大學的Amanov等人[71]提出了激光沖擊強化(LaserShockPeening，簡稱LSP)和超聲納米晶表面改性(UltrasonicNanocrystalSurfaceModification，簡稱UNSM)的后處理技術，研究了兩種不同的后處理技術及兩種技術不同的組合處理順序(LSP+UNSM和UNSM+LSP)對SLM增材制造鈦合金晶粒尺寸、殘余應力、機械性能、摩擦性能、硬度等性能的影響。結果表明:相對經LSP處理的鈦合金樣品，經UNSM處理的鈦合金樣品表面光潔度更好、機械性能和摩擦性能更優，UNSM+LSP技術組合對SLM增材制造鈦合金的處理效果優于UNSM+LSP技術組合。西北工業大學的張琦等人[72]還提出采用超聲噴丸(ultrasonicshotpeening，簡稱USP)技術來對SLM增材制造鈦合金進行后處理。處理結果表明，經過USP處理后SLM增材制造鈦合金表面為殘余壓應力，顯微硬度顯著提高，耐腐蝕性能得到提升。以上這些非常規的機械后處理手段，對于改善SLM增材制造鈦合金的最終使用性能，拓展其應用范圍提供了新的研究思路。

4.3化學處理的研究

SLM增材制造鈦合金在航空航天、生物醫療等領域具有廣闊的應用前景，但這些行業對零部件的疲勞性能和耐腐蝕性能都提出了較高的要求。這就要求這些零部件具有更優的表面狀態，且這些零部件大多具有復雜的內部結構，常規的車、銑、磨等加工手段就無法滿足表面處理的要求。為了解決這一問題，中國科學院金屬研究所的蔡雨升等人[73]提出采用化學腐蝕的方式來改善SLM增材制造鈦合金的表面粗糙度。采用的腐蝕液為HF/HNO3的混合液，其研究結果表明，通過調整混合液的比例、腐蝕時間等參數可以降低表面粗糙度，同時對基體尺寸的影響也較小。澳大利亞昆士蘭大學的Soro等人[74]針對SLM增材制造TC4鈦合金也開展了化學腐蝕后處理的研究。其研究結果表明，該方法可以成功去除表面未完全熔化的粉末，同時減少增材制作過程產生的梯度效應，該研究成果可以大大推動SLM增材制造鈦合金在生物醫療器械行業的應用。

5、總結與展望

5.1存在的問題

隨著SLM技術的進步以及航空航天、生物醫療器械、核電裝備、石化裝備等領域對鈦合金需求的快速的增長，SLM增材制造鈦合金近些年得到快速發展，但在SLM增材制造鈦合金的研究中還存在如下問題:1)SLM增材制造鈦合金技術還處于起步階段，相關的技術還不夠成熟，尤其在工業生產應用方面，該技術還遠遠不能滿足工業生產的需要。例如:超薄鈦合金零部件的增材制造，高表面光潔度鈦合金零部件的制造，大尺寸、超大尺寸鈦合金零部件的制造，超低內應力鈦合金零部件的制造等，目前的技術仍存在很大局限性。2)當前對于SLM增材制造鈦合金相關理論的研究相對于工程應用方面還比較滯后。例如，近日我國159廠航天增材公司成功研制出60光束超大尺寸增材制造設備，但SLM增材制的理論研究還處于單激光或者雙激光的階段。3)增材制造工藝參數對于鈦合金樣品組織性能的影響的研究還不夠深入，盡管很多學者針對該問題開展了大量研究工作，但都局限于工藝參數對增材制造鈦合金組織性能的影響方面，對于工藝參數影響增材制造鈦合金組織性能的機理的研究還不夠深入，相關的研究成果也沒有形成統一的結論，且對于如何通過調整增材制造工藝參數來提高增材制造鈦合金的組織性能也沒有提出合理的建議和改進方向。4)對于SLM增材制造鈦合金后處理工藝的研究還不夠深入，尤其是對改善表面粗糙度、尺寸精度、疲勞性能、耐腐蝕性能等方面后處理工藝的研究還比較薄弱，既沒有形成一定規模的研究成果，也沒有獲得具有代表性且處理效果良好、質量穩定的后處理工藝。5)針對SLM增材制造鈦合金的研究目前還局限于單一合金的研究，對于異種合金、梯度鈦合金的SLM增材制造的研究，暫未見相關研究成果。6)針對不同的鈦合金，目前還沒有形成專門的增材制造工藝數據庫或者統一的工藝標準，這不利于SLM增材制造鈦合金行業的快速、健康發展。

5.2前景展望

針對當前SLM增材制造鈦合金研究中存在的問題，在未來的研究工作中可以重點開展以下幾方面的工作:

1)加強SLM增材制造鈦合金方面前瞻技術的研究，力爭讓相關的理論研究領跑工程應用方面的研究，同時工程應用方面的成果反推理論成果的研究，最終促進SLM增材制造鈦合金技術在工業生產中的應用。

2)針對超薄鈦合金零部件的增材制造，高表面光潔度鈦合金零部件的制造，大尺寸、超大尺寸鈦合金零部件的制造，超低內應力鈦合金零部件的制造等開展技術攻關，通過這些技術的突破，擴大SLM增材制造鈦合金的應用范圍。

3)加強增材制造工藝參數對增材制造鈦合金產品組織性能影響機理的研究，為改善增材制造鈦合金產品組織性能提供理論依據和改進方向。

4)加強對SLM增材制造鈦合金后處理工藝的研究，開發可以顯著改善鈦合金產品表面粗糙度、尺寸精度、疲勞性能、耐腐蝕性能的后處理工藝。

5)開展異種鈦合金、鈦合金/異種金屬、梯度材料的增材制造研究，以滿足更加復雜的服役環境。

6)針對常見的鈦合金，開發標準的SLM增材制造工藝數據庫，形成統一的增材制造工藝標準。

總之，SLM增材制造鈦合金具有廣闊的應用前景，盡管目前該技術在理論研究和工程應用方面還處于起步階段，但在未來隨著越來越多的科研工作者投入到該項工作中，經過技術迭代、優化、升級，SLM增材制造鈦合金在航空航天等高端裝備制造領域將發揮越來越重要的作用。

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（注，原文標題：激光選區熔化增材制造鈦合金研究進展及展望_劉自剛）