Rare Metals 新加坡制造技术研究院: 激光增材制造钛合金的工艺、材料与后处理研究进展

来源：稀有金属RareMetals

钛合金激光增材制造（LAM）技术已经成为一项具有广泛潜力的革命性技术，并对多个行业产生重大影响。为了概述LAM钛合金的最新发展，本文对两种关键LAM技术（即粉床激光熔融和激光定向能量沉积）制备的钛合金进行了系统回顾，涵盖工艺、材料和后处理等方面。论文阐明了钛合金LAM各工艺参数的影响以及优化工艺参数的策略。此外，从显微组织和性能的角度概述了LAM加工的各类型钛合金，包括α-Ti，(α+β)-Ti和β-Ti合金。此外，还系统地回顾和讨论了用于改善LAM钛合金性能的后处理方法，包括传统和新型热处理、热等静压以及先进表面处理工艺（如超声和激光喷丸）。本综述总结了LAM工艺窗口、各类钛合金组织特性和性能范围，并对LAM钛合金的发展趋势进行了展望。本论文可为研究人员和从业人员提供重要参考，并促进LAM钛合金及其应用的进一步发展。

【文章亮点】
1.综述了钛合金激光增材制造（LAM）中关键工艺参数对组织性能的影响。
2.总结了各类型LAM钛合金的工艺窗口和力学性能。
3.讨论了LAM钛合金的传统和先进后处理技术。
4.展望了LAM钛合金在参数优化、工艺整合和材料创新方面的发展趋势。

【内容简介】
日前，新加坡制造技术研究院、湖南大学、德国航空航天中心、南方科技大学、加利福尼亚大学、南华大学等国内外11个单位，在Rare Metals上发表了题为“Laser additive manufacturing of titanium alloys: process, materials and post-processing”的综述文章，对激光增材制造钛合金的工艺、材料与后处理研究进展进行了系统综述。

系统综述了激光增材制造钛合金的工艺、材料与后处理研究进展，研究结果可以为LAM钛合金制备提供重要参考。

图1 本综述包含的内容

图1为本综述包含的内容。本综述针对LAM钛合金的增材制造工艺参数和工艺参数优化策略进行了详细论述。此外，对LAM制备的各类型钛合金包括α-Ti，(α+β)-Ti和β-Ti合金进行了介绍回顾。并系统综述和统计了LAM制备的钛合金的力学性能，讨论了对先进后处理技术（如新型热处理、激光冲击强化等）对LAM钛合金组织和性能的影响。

图2 LAM工艺示意图 a LPBF, b LDED

图2为LPBF和LDED工艺的示意图。两种工艺在制备钛合金方面具有截然不同的特点，本文对两种典型LAM工艺进行了详细介绍。对LAM过程中的各工艺参数对钛合金组织性能的影响进行了系统分析和讨论。

图3 LAM Ti合金致密化的加工参数影响：a 激光功率, b 扫描速度, c 层厚, d 扫描间距, e, f 激光能量密度

图3为工艺参数对LAM钛合金致密化行为的影响，主要包括激光功率、扫描速度、层厚、扫描间距和能量密度。论文对各参数的影响进行了详细分析和讨论。

图4 加工参数对LPBF Ti-6Al-4V合金微观结构的影响：a 激光功率, b 扫描速度, c 层厚

图4主要总结了LPBF制备的Ti-6Al-4V合金微观结构受加工参数影响的情况。其中讨论了激光功率、扫描速度和层厚等加工参数对LPBF建造的Ti-6Al-4V合金的影响。研究发现，较高的激光功率通常有利于促进先驱-β晶粒的柱状生长并粗化马氏体α'，而较高的扫描速度则可加速固化速率并提高Ti合金的强度。然而，过高的激光功率可能会导致材料蒸发过度，形成许多匙孔，而过高的扫描速度则可能导致穿透深度不足和能量输入不足，进而产生缺陷。此外，图中还提到了适当的激光功率和扫描速度的交替调整可以实现先驱-β晶粒的柱状到等轴生长的转变。

图5 加工参数对LDED Ti-6Al-4V合金微观结构的影响：a 激光功率, b 扫描速度, c 进给速率

图5则总结了LDED制备的Ti-6Al-4V合金微观结构受加工参数影响的情况。研究发现，激光功率、扫描速度和进给速率等参数对LDED建造的Ti-6Al-4V合金的影响较为显著。适当的激光功率可以细化先驱-β晶粒并促进马氏体α'的分解，而提高的扫描速度可以加快固化速率并提高合金的强度。然而，过高的激光功率可能导致材料蒸发过度，形成许多键孔孔隙；过高的扫描速度可能导致能量输入不足，形成缺陷。此外，图中还提到了周期性调整激光功率或扫描速度可以实现先驱-β晶粒的柱状到等轴生长的转变。这种方法有利于形成完全或几乎等轴晶粒。

图6 扫描策略对Ti合金的影响：a LPBF Ti-6Al-4V合金采用不同扫描策略的EBSD图, b LPBF Ti-6Al-4V合金采用不同扫描策略的光学显微镜（LOM）图像, c 不同扫描策略的示意图和相应的LPBF Ti/(TiC+TiB)复合材料的奈奎斯特图

图6主要总结了不同扫描策略对Ti合金LAM建造的影响。研究发现，扫描策略主要影响残余应力、失真、晶体学纹理和晶粒形态。其中线性扫描是最常用的策略，而岛屿扫描仅在LPBF系统中采用。研究显示，不同的扫描策略会对孔隙率产生影响，例如90°旋转的线性扫描可以使Ti-6Al-4V合金的相对密度达到99.9%。此外，扫描策略还可以影响Ti构件的耐腐蚀性能，90°旋转的线性扫描能够提高抗腐蚀能力，这是由于这种扫描策略有利于减轻热积累并促进Ti基复合材料中增强物的细化。

图7 Ti合金LAM中层间时间的影响：a 不同层间时间下的Ti-6Al-4V合金显微结构演变, b 层间时间对Ti-6Al-4V合金α片尺寸的影响, c 梯度层间时间对Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr合金力学性能的影响

图7总结了层间停留时间对Ti合金LAM制造的影响。研究表明，短的层间停留时间会导致热积累增加，促进沉积过程中亚稳相（如马氏体）的原位分解。相反，较长的层间停留时间可以减轻热积累，从而细化微观结构并提高强度。张等人提出了一种新颖的梯度层间时间策略，通过调整层间停留时间，实现了Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr合金的均匀拉伸性能。

图8 反应性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

图8主要介绍了LAM Ti合金中的反应性制造技术。研究表明，在半惰性气氛下进行反应性LAM可以引入微量间隙元素，有利于提高Ti合金的力学性能。例如，采用Ar + N2反应气氛可以细化Ti合金的微观结构并提供固溶强化，而Ar + CH4反应气氛可诱导纳米级TiC分散体的形成，增强合金的抗压强度和抗应变能力。这些反应性制造技术为制备高性能Ti合金或Ti基复合材料提供了有效的途径。需要注意的是，控制这些半惰性气氛的合理性非常重要，以确保在提高力学性能的同时不会显著降低韧性。

图9 样品几何形状对Ti合金的影响：a 位置对Ti-6Al-4V合金微观结构的影响, b 零件尺寸对Ti-6Al-4V合金微观结构的影响

图9总结了样品几何形状和构建方向对LAM部件残余应力分布、显微结构和性能的影响。研究发现，LAM制造的Ti合金的显微结构和性能取决于特定位置和构建方向。例如，LPBF制造的Ti-6Al-4V合金的显微结构随着构建高度的增加而变化，底部区域显示α+β的片层状形貌，而顶部区域则呈现出针状α'形貌。这主要归因于LPBF的热循环效应。另外，构建方向还影响着制造件的力学性能。LPBF制造的Ti-6Al-4V合金在纵向构建的拉伸样品通常显示比横向构建的样品更高的韧性，但强度较低。这归因于纵向构建方向中形成的柱状β晶粒边界和αGB相，在拉伸变形过程中会导致局部应力集中，从而降低韧性。此外，构建方向还影响着相体积分数和组织结构，从而影响着材料的力学各向异性。对于LDED处理的Ti合金，多方向切片方法更适合于加工复杂形状的部件，如带有明显边界或其他特征的部件。因此，在选择构建方向时需要考虑构件的形状和所需的力学性能。图9针对这些问题进行了具体的探讨。

图10 构建方向对Ti合金的影响：a 构建方向对Ti-6Al-4V合金孔隙率和拉伸性能的影响, b 构建方向对Ti-6Al-4V合金疲劳性能的影响，c 应力与失效循环次数（S-N）曲线，d 循环次数与裂纹长度曲线和裂纹扩展速率曲线，e 不同构建策略的示意图，f Ti-6Al-4V合金的电化学极化曲线，g 不同构建方向的Ti-6Al-4V合金的奈奎斯特图

图10总结了构建方向对LAM制造的Ti合金的疲劳性能和耐蚀性能的影响。研究表明，不同构建方向的样品表现出不同的孔隙率、疲劳性能和耐蚀性能。特别是0°和90°构建方向有利于实现更高的耐腐蚀性能。这些研究结果强调了在LAM Ti合金加工过程中考虑构建方向对最终产品性能的重要性，同时也为实际应用中的合金制造提供了指导。

图11 Ti合金LAM的工艺窗口：a Ti-6Al-4V合金的典型工艺图及不同加工参数下的孔隙形态, b Ti-6Al-4V合金的预测工艺图及实验验证

图11概述了钛合金的LAM过程窗口。该过程窗口指的是可以用于实现高密度部件的所有处理参数组合。研究发现，不合适或次优的处理参数选择会导致缺乏熔合或形成穿孔孔。因此，寻找适当的过程窗口是实现所需材料和构件最终性能的重要步骤。图11a展示了典型缺陷形成条件及其形态。研究表明，较大的激光功率和较慢的扫描速度会导致穿孔孔的形成，而较大的扫描速度和较低的激光功率可能会导致缺陷的出现。此外，研究人员通过利用Eagar-Tsai模型和能量平衡模型计算熔池尺寸，成功预测了LPBF制造的Ti-6Al-4V合金的过程窗口地图（图11b）。

图12 高保真机理建模：a 所建构件探测点的热历史, b 孔隙形成过程中的温度等温线和速度场

图12总结了高保真机理建模对LAM Ti合金的优化作用。通过包括有限元分析和相场建模在内的先进计算方法，高保真机理模型能够模拟多尺度的LAM过程。例如，研究人员提出了基于链环模型的框架，以分析LDED加工的Ti-6Al-4V的冷却速率与构件性能的关系。另外，高保真数值模型可以准确模拟激光-材料相互作用，并预测穿孔孔特征。相场模拟被用来模拟LAM过程中的微观结构演变和凝固行为。这些模型在优化LAM处理参数方面发挥了重要作用，有助于提高机械性能并减少构件缺陷，如孔隙、裂纹和几何畸变。通过这些模型，我们可以更深入地理解LAM过程，并高效地生产用于各种应用的高性能钛合金组件。

图13 LAM α-Ti合金的显微结构：a, d CP-Ti, b, e Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, c, f Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V

图13介绍了LAM建造的α-Ti合金的微观结构和力学特性。研究表明，通过LAM建造的CP-Ti合金通常包含完全马氏体α'微观结构，而LDED建造的Ti合金通常显示粗大的板状Windmanstätten α相。此外，研究人员通过精心调整体积能密度，可以在LPBF建造的CP-Ti中实现细小的等轴α晶粒。类似地，Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo和Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V等合金的特点和微观结构也在图13中介绍。

图14 LAM (α+β)-Ti合金的显微结构：a 和 b Ti-6Al-4V的典型显微结构, c 和 d Ti-6Al-4V合金, e 和 f Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo合金的显微结构, g 热处理对Ti-6Al-4V和Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo合金机械性能的影响

图14涵盖了LAM建造的(α+β)-Ti合金的微观结构和力学特性。以Ti-6Al-4V合金为代表，LPBF建造的Ti-6Al-4V合金通常呈现出马氏体α'和大量纳米孪晶，而LDED建造的Ti-6Al-4V合金通常显示α+β层片状微观结构。另外，Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo和Ti-6Al-7Nb等合金的特点和微观结构也在图14中详细介绍。

图15 LAM β-Ti合金的显微结构：a Ti–5553, b Ti–5553, c Ti-38644, d Ti-38644

图15涵盖了LAM建造的β-Ti合金的微观结构和力学特性。例如，Ti–5Al–5Mo–5V-3Cr合金具有高强度、高韧性和良好的热稳定性，LPBF建造的Ti-5553合金主要由亚稳态β晶粒组成。类似地，Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo合金的LPBF建造形成了单一的亚稳态β相。此外，Ti-35Nb-7Zr-5Ta合金的LPBF建造可通过调控熔池模式和微观结构工程等方法来增强其强度和韧性。

图16 LPBF Ti-6Al-4V在各种常规热处理下的显微结构：a-c 700℃, d-f 800℃, g-i 900℃

图16主要涉及LAM制造的α-Ti和(α+β)-Ti合金的后热处理以及常规热处理的影响。常规热处理包括退火、固溶处理、固溶时效处理和直接时效处理等，这些处理可以改善合金的韧性、减轻残余应力、分解马氏体相并提高合金的疲劳寿命。

图17 定制新型热处理：a-c 多步热处理, d-f 循环热处理, g-h 热力水制精制, i-j 磁场辅助热处理

图17主要涉及了一些创新的热处理方法，如多步热处理、循环热处理、热氢精炼以及磁场辅助热处理等。这些方法可以定制微观结构，有助于实现优越的力学性能。此外，还介绍了一些在LAM制造钛合金过程中引入主动气氛或辅助能量场的方法，如热氢精炼和磁场辅助热处理等。这些方法可以消除缺陷、改善疲劳性能并提高合金的强度和韧性。

图18 HIP对Ti-6Al-4V合金的影响：a HIP示意图, b 孔隙度的影响, c 工艺窗口, d 拉伸性能, e, f 疲劳性能

图18主要介绍了热等静压（HIP）对LAM制造的钛合金的影响。研究表明，孔隙是LAM制造部件中常见的缺陷，会显著影响机械和疲劳性能。HIP作为一种加压热处理方式，可以有效减少孔隙并改善LAM制造部件的性能。HIP能够消除制造缺陷（例如LOF、孔洞孔），同时也可以改善材料的韧性和疲劳寿命。对于LAM制造的α和α+β钛合金，HIP能够同时消除缺陷、分解马氏体并减轻热应力。HIP处理可以有效提高钛合金的延展性，并扩大LAM过程的窗口。此外，HIP还能通过消除缺陷显著提高LAM制造的钛合金的疲劳性能。然而，值得注意的是，HIP无法有效关闭近表面的孔隙，因此需要表面处理来消除表面缺陷并进一步提高疲劳性能。

图19 LAM Ti合金的机械性能总结

图19主要总结了LAM制造的钛合金的机械性能。图中指出，在LAM初始状态下，α-Ti和(α+β)-Ti合金通常比β-Ti合金具有更高的机械强度。对于LAM加工的α-Ti和(α+β)-Ti合金来说，由于类似的马氏体α'微观结构，它们的机械性能相似。α-Ti合金具有高温稳定性和高蠕变强度，是高温应用的有前途的候选材料。而(α+β)-Ti合金的机械性能范围比α-Ti合金更广，但其制造过程参数需要更加谨慎。在β-Ti合金中，微观结构通常包含亚稳定的β相，其强度相对较低。此外，一些高强度的β-Ti合金经LAM制造后，通常需要后时效处理才能获得优异的机械强度。

图20 Ti合金LAM的未来研究与发展趋势

图20主要展望了LAM钛合金的研究和发展趋势。其中包括智能工艺优化方法、工艺创新与集成、材料定制和创新以及后处理验证和创新。智能工艺优化方法主要利用机器学习等技术加快LAM参数优化过程，以实现优异的机械性能。工艺创新和集成方面，介绍了诸如场辅助增材制造（FAAM）、反应性LAM等先进工艺，并提出了设备创新的研究方向。材料定制和创新主要关注低密度高强度、低成本可持续、耐杂质、生物医用低模量等钛合金的研究。后处理验证和创新方面主要关注时间和能源效率、微观结构和性能均匀性、可扩展性和成本、标准化与认证等方面的研究。通过这些方面的努力，可以显著推动LAM钛合金领域的发展，为其在各个行业的更广泛和更有影响力的应用铺平道路。

【全文小结】
1.了解LAM过程参数对钛合金的熔池几何形态、热历史和能量输入的重要影响，进而影响LAM Ti合金的微观结构、残余应力和性能，控制处理参数对获得理想性能至关重要。
2.针对不同类型的钛合金，包括α-Ti、(α+β)-Ti和β-Ti合金，讨论了其机械性能，指出了各种合金的优势和适用领域。
3.介绍了提高LAM Ti合金整体性能的后处理方法，包括热处理（PHT）和热等静压（HIP），以及表面处理方法。
4.未来展望：探讨了LAM领域的几个关键发展趋势，包括智能工艺优化、工艺创新、材料创新和后处理创新。指出机器学习、先进的材料定制和创新工艺在未来LAM钛合金研究中的重要作用。


【文献链接】
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

【作者简介】

谭超林, 新加坡制造技术研究院资深科学家(Senior Scientist), 博士生导师，国际先进材料协会(IAAM)会士。长期从事金属增材制造(3D打印)装备、工艺、材料等基础和应用研究。入选2022和2023年度全球前2%顶尖科学家。主持新加坡国家级基础研究项目3项。以第一作者和通讯作者在Advanced Science和Int. J. Mach. Tools Manuf. (6篇)等期刊发表SCI论文38篇, 其中中科院一区期刊论文23篇, 影响因子大于10的18篇，多篇ESI热点、高被引和期刊封面。出版署名专著2部。Google Scholar H因子31。担任制造领域顶级期刊Int. J. Mach. Tools Manuf.编委(Editorial Board)。同时，担任知名期刊Int. J. Extreme Manuf.、J Mater Sci Technol.、Rare Metals, Mater. Res. Lett.和Trans. Nonferrous Met. Soc. China青年编委。是波兰科学院自然科学项目和中国自然科学基金面上项目评审专家，Nat. Commun., Acta Mater., Int. J. Mach. Tools Manuf., Addit. Manuf., Mater. Des., Compos. B. Eng, JMST等20余种SCI期刊常年审稿人。