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(shù)研究所（SIMTech）、中國湖南大學(xué)、德國航空航天中心（DLR）、德國亞琛工業(yè)大學(xué)、中國南方科技大學(xué)、澳大利亞埃迪斯科文大學(xué)、美國加州大學(xué)、德國萊布尼茲材料研究所、不來梅大學(xué)、中國南華大學(xué)、長沙理工大學(xué)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(guān)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(yīng)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(jìn)展和技術(shù)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(shù)制備的鈦合金進(jìn)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(jié)構(gòu)和力學(xué)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(jìn)行了分析比較。最后，本文還重點(diǎn)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(jìn)LAM鈦合金及其應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展。

圖1本次回顧范圍。

圖2a LPBF和b LDED 技術(shù)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(jié)構(gòu)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(yīng)性LAM。

圖9樣品結(jié)構(gòu)對LAM制備鈦合金的影響。

圖10成型方向?qū)AM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(xué)建模。

圖13LAM制備的α-Ti合金的微觀結(jié)構(gòu)。

圖14LAM制備的(α+β)-Ti合金的微觀結(jié)構(gòu)。

圖15LAM制備的β-Ti合金的微觀結(jié)構(gòu)。

圖16經(jīng)過各種傳統(tǒng)熱處理的LPBF制成的Ti-6Al-4V微觀結(jié)構(gòu)。

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(jié)構(gòu)、殘余應(yīng)力和性能。在這項(xiàng)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(xué)建模。適當(dāng)?shù)募す饽芰棵芏葘τ诜乐谷毕莺瞳@得高密度零件至關(guān)重要。加工窗口映射有助于確定實(shí)現(xiàn)高密度部件的參數(shù)組合?？傊?，控制加工參數(shù)是獲得理想性能的關(guān)鍵。要在最大限度減少缺陷和優(yōu)化力學(xué)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(lǐng)域的進(jìn)一步研究無疑將改進(jìn)LAM Ti合金的加工技術(shù)并擴(kuò)大其工業(yè)應(yīng)用。

圖19總結(jié)了LAM鈦合金的力學(xué)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(xué)強(qiáng)度通常高于β-Ti合金。LAM加工的α-Ti和(α+β)-Ti合金的力學(xué)性能相似，這是因?yàn)樗鼈兙哂邢嗨频鸟R氏體α′結(jié)構(gòu)。由于具有高溫穩(wěn)定性和高蠕變強(qiáng)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(yīng)用。相比之下，由于(α+β)-Ti 合金的微觀結(jié)構(gòu)更具可調(diào)諧性，因此(α+β)-Ti合金可實(shí)現(xiàn)的力學(xué)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(yīng)更加謹(jǐn)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(dāng)?shù)牧W(xué)強(qiáng)度。如圖19所示，β-Ti合金的微觀結(jié)構(gòu)一般由可轉(zhuǎn)移的β相組成，其強(qiáng)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(diǎn)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(xué)植入材料很有吸引力。另外，一些通過LAM制備的高強(qiáng)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(xué)強(qiáng)度，通常需要進(jìn)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(jīng)過適當(dāng)?shù)臅r效處理后，拉伸強(qiáng)度分別達(dá)到1611 MPa和1510 MPa。

圖19 LAM制備的鈦合金的力學(xué)性能總結(jié)。

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(jìn)α相的析出，從而提高合金的整體強(qiáng)度。值得注意的是，HIP處理會改變合金的微觀結(jié)構(gòu)，有效封閉缺陷和孔隙。  此外，對LAM Ti合金零件進(jìn)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(jìn)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(guān)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(yīng)對這些機(jī)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(lǐng)域的發(fā)展，為其在各行各業(yè)更廣泛、更具影響力的應(yīng)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