钛合金激光增材制造:工艺、材料及后处理综述

来源：长三角G60激光联盟

来自新加坡制造技术研究所（SIMTech）、中国湖南大学、德国航空航天中心（DLR）、德国亚琛工业大学、中国南方科技大学、澳大利亚埃迪斯科文大学、美国加州大学、德国莱布尼兹材料研究所、不来梅大学、中国南华大学、长沙理工大学的科研小组报道了钛合金激光增材制造:工艺、材料及后处理的综述研究。相关论文以“Laser additive manufacturing of titanium alloys: process, materials and post-processing”为题发表在《Rare Metals》上。

钛(Ti)合金激光增材制造(LAM)已成为一种在多个行业具有巨大应用潜力的变革性工艺方案。为了回顾LAM钛合金的最新研究进展和技术水平，本文将对激光粉末床熔融和激光定向能量沉积两种主要的LAM技术制备的钛合金进行综述，涵盖工艺、材料和后处理等方面。本文将系统阐述工艺参数对LAM钛合金的影响以及优化参数的策略。综述将涵盖LAM制备的各种类型的钛合金，包括α钛合金、(α+β)钛合金和β钛合金的微观结构和力学性能现状。系统回顾和讨论用于改善LAM钛合金性能的后处理方法，包括传统和新型热处理、热等静压和表面处理（例如超声和激光喷丸）。此外，综述了LAM钛合金的工艺窗口和性能范围，并对研究成果进行了分析比较。最后，本文还重点介绍了钛合金LAM的未来发展趋势。本篇综述可以为研究人员和其他从业者提供参考和借鉴，促进LAM钛合金及其应用的进一步发展。

图1本次回顾范围。

图2a LPBF和b LDED 技术示意图。

图3加工参数对LAM钛合金致密化的影响。

图4加工参数对LPBF制备的Ti-6Al-4V合金微观结构的影响。

图5加工参数对LDED制备的Ti-6Al-4V合金显微组织的影响。

图6扫描策略对LAM制备的钛合金的影响。

图7层间时间对LAM制备钛合金的影响。

图8钛合金的反应性LAM。

图9样品结构对LAM制备钛合金的影响。

图10成型方向对LAM制备的钛合金的影响。

图11钛合金LAM的工艺窗口。

图12钛合金LAM的高保真力学建模。

图13LAM制备的α-Ti合金的微观结构。

图14LAM制备的(α+β)-Ti合金的微观结构。

图15LAM制备的β-Ti合金的微观结构。

图16经过各种传统热处理的LPBF制成的Ti-6Al-4V微观结构。

图17为LPBF制备的Ti-6Al-4V合金定制的新型热处理。

图18 HIP对LAM制成的Ti-6Al-4V合金的影响。

LAM 有各种工艺参数，它们对熔池形状、热历史和入射能量有重大影响，从而影响LAM Ti 合金的微观结构、残余应力和性能。在这项工作中，深入讨论了各种工艺参数对钛合金LAM 的影响。讨论了优化加工参数的几种策略：激光能量密度、加工窗口映射和高保真力学建模。适当的激光能量密度对于防止缺陷和获得高密度零件至关重要。加工窗口映射有助于确定实现高密度部件的参数组合。总之，控制加工参数是获得理想性能的关键。要在最大限度减少缺陷和优化力学性能的同时获得高密度部件，需要了解各种加工参数之间的相互作用。该领域的进一步研究无疑将改进LAM Ti合金的加工技术并扩大其工业应用。

图19总结了LAM钛合金的力学性能。值得注意的是，在LAM成型状态下，α-Ti和(α+β)-Ti合金的力学强度通常高于β-Ti合金。LAM加工的α-Ti和(α+β)-Ti合金的力学性能相似，这是因为它们具有相似的马氏体α′结构。由于具有高温稳定性和高蠕变强度，LAM加工的α-Ti合金（如Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo）有望用于高温应用。相比之下，由于(α+β)-Ti 合金的微观结构更具可调谐性，因此(α+β)-Ti合金可实现的力学性能比α-Ti合金更广泛。尽管如此，这也表明(α+β)-钛合金制造的LAM工艺参数应更加谨慎。在β含量较高的情况下，AM加工的（α+β）-钛合金（如Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo）中会形成α′′相，从而提供优异的延展性和相当的力学强度。如图19所示，β-Ti合金的微观结构一般由可转移的β相组成，其强度相对低于α-Ti 和（α+β）-Ti合金。LAM加工的β-Ti合金（如Ti-24Zr-4Nb-8Sn、Ti-13Nb-13Zr）的优点是具有良好的生物相容性和较低的弹性模量，这对生物医学植入材料很有吸引力。另外，一些通过LAM制备的高强度β-Ti合金（例如，Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo）也有报道，但要获得优异的力学强度，通常需要进行后时效处理。例如，LPBF制备的和LDED 制备的Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo合金（称为 Beta C）在经过适当的时效处理后，拉伸强度分别达到1611 MPa和1510 MPa。

图19 LAM制备的钛合金的力学性能总结。

后处理有助于提高LAM Ti合金的整体性能。最常用的两种LAM Ti合金后处理方法是PHT 和HIP。就LAMα和(α + β)-Ti合金而言，PHT或HIP可用于分解马氏体 α′相，从而改善延展性和疲劳性能。相反，对于LAM β-Ti合金，PHT或HIP可促进α相的析出，从而提高合金的整体强度。值得注意的是，HIP处理会改变合金的微观结构，有效封闭缺陷和孔隙。  此外，对LAM Ti合金零件进行表面处理以消除缺陷，大大有助于提高疲劳性能。

图20钛合金LAM的未来研发（R&D）趋势。

LAM的进步为提高LAM制成的Ti合金的利用率开辟了新的途径。文章深入探讨几个关键的新兴研发趋势，包括智能工艺优化、工艺创新、材料创新和端口加工创新，如图 20 所示。

通过应对这些机遇和挑战，研究人员和工程师可以极大地推动LAM Ti合金领域的发展，为其在各行各业更广泛、更具影响力的应用铺平道路。


论文链接：
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