1、增材制造TC4鈦合金常用技術(shù)
由于新型設(shè)備和越來(lái)越多打印材料得到了開(kāi)發(fā)，并且增材制造工藝的種類也與日俱增。ASTM International 將增材制造技術(shù)分為了七個(gè)大類：（1）光固化技術(shù)（SLA）；
（2）材料噴射技術(shù)（Material jetting）；（3）粘結(jié)劑噴射技術(shù)（3DP）；（4）粉床熔化技術(shù)（SLM/EBM）；（5）直接能量沉積技術(shù)（LENS）；（6）疊層實(shí)體制造技術(shù)（LOM）；（7）材料擠出成形技術(shù)（polyjet）。其中根據(jù)能量源，鈦合金增材制造的技術(shù)可分為“激光熱源”與“電子束熱源”兩種工藝，而根據(jù)材料運(yùn)送方式又可以分為兩種：“送粉/送絲”和“粉床鋪粉”[17]。
目前運(yùn)用于高性能的精密鈦合金零件的增材制造技術(shù)主要有兩種：選區(qū)激光熔化技術(shù)(selective laser melting，SLM)、電子束熔融技術(shù)(electron beam melting，EBM)。EBM
工藝能夠產(chǎn)生完全致密的具有出色機(jī)械性能的接近最終形狀的復(fù)雜零件[18, 19]。圖 1-1 為EBM 工藝示意圖，EBM 工藝在真空室內(nèi)使用電子束作為熱源，電磁線圈中的電磁線圈提供了非?？焖俸途_的束控制，從而可以選擇性地熔化粉末床[20]。由于 EBM 工藝在熔化之前將整個(gè)粉末床加熱（400-800°C），因此合金粉末可能會(huì)被部分燒結(jié)。并且粉
末床在整個(gè)過(guò)程中都保持熱態(tài)，因此樣品的凝固在接近平衡的條件下進(jìn)行。因此，與通過(guò)選區(qū)激光熔化（SLM）生產(chǎn)的樣品相比，EBM TC4 鈦合金中存在相對(duì)較少的內(nèi)應(yīng)力[1]。
EBM 工藝制備的樣品的機(jī)械性能通常優(yōu)于鑄件，并且可與鍛造材料媲美[18]。由于 EBM工藝是在真空氣氛下進(jìn)行的（與 SLM 工藝中觀察到的惰性氣氛不同），因此一般避免
了氧化[2, 21-23]。EBM 工藝涉及多個(gè)工藝參數(shù)，包括：光束功率，光束掃描速度，光束聚焦，光束直徑，光束線間距，板溫度，預(yù)熱溫度（包括光束的重復(fù)，速度和功率），焦
點(diǎn)補(bǔ)償?shù)萚24]。因此，工藝參數(shù)的優(yōu)化比選區(qū)激光熔化工藝（SLM）更加困難，EBM 僅應(yīng)用于有限的材料，例如 CP-Ti，TC4，Inconel 718 和 CoCrMo 合金[1]，其中 TC4 被廣
泛研究。通常，在增材制造的 TC4 中觀察到平面生長(zhǎng)。在 EBM TC4 鈦合金中，柱狀β初晶粒首先在冷卻過(guò)程中形成，隨后被轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂袑訝罨蛭菏辖M織微觀結(jié)構(gòu)的α+β，而α相沿柱狀β初晶邊界形成[20, 25-27]。由 EBM 工藝制造的 TC4 的屈服強(qiáng)度約為 833-1116MPa，延展性介于 2.7％和 15％之間[5]。
SLM 出現(xiàn)在 1980~1990 年代后期，在制造過(guò)程中使用激光束進(jìn)行選擇性熔化金屬粉末[1, 29, 30]。 SLM 和 EBM 一樣均可靈活地生產(chǎn)任何形狀的零件（理論上無(wú)限制）[31-33]。相比于 EBM，SLM 可以加工更廣泛的合金。SLM 和 EBM 工藝之間存在還其他差異，例如使用的熱源的差異意味著焦點(diǎn)的大小不同，SLM 通常為~80 μm，用于 EBM 直徑為~100 μm[1]。此外，SLM 工藝使用的典型粉末粒徑為 10~60 μm，EBM 工藝使用的典型粉末粒徑為 60~105 μm[1]。熱源點(diǎn)尺寸和顆粒尺寸的差異可能導(dǎo)致熔池大小和形狀的差異，從而影響凝固過(guò)程。盡管 SLM 和 EBM 工藝具有許多共同的特征，但這兩者之間的細(xì)微差別可能導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化，進(jìn)而導(dǎo)致其機(jī)械性能變化[1, 2, 18]。
1.2 增材制造 TC4 鈦合金的微觀結(jié)構(gòu)
TC4 在室溫下主要由密排六方α相和以體心立方β相組成。在增材制造過(guò)程中，當(dāng)加熱時(shí)，溫度超過(guò)β轉(zhuǎn)變溫度，α相轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪?，冷卻后β相變回初級(jí)的α相，增材制造 TC4
微觀結(jié)構(gòu)如圖 1-3 所示，直接能量沉積工藝（DED）形成的 TC4 微觀結(jié)構(gòu)為細(xì)層片狀魏氏組織結(jié)構(gòu)和少量的α晶界[40]；電子束熔融工藝（PBF-EB）制造的 TC4 形成以α晶界劃
定的柱狀β晶粒；在β初晶粒中形成α+β魏氏組織的微觀結(jié)構(gòu)[41]；選區(qū)激光熔化工藝（PBF-L）制造的 TC4 形成層片狀（α+β）結(jié)構(gòu)[37]；電弧送絲增材制造技術(shù)（DED-GMA）
制造的 TC4 形成網(wǎng)籃狀（α+β）的微觀結(jié)構(gòu)（圖 1-3d 中灰色區(qū)域?yàn)棣料啵咨珔^(qū)域β相）[42]，增材制造 TC4 在高冷卻速率下形成α'馬氏體相，如圖 1-4 所示。在高冷卻速率下，電子束熔融工藝制造的 TC4 形成針狀馬氏體與無(wú)特征的板塊狀區(qū)域混合[43]；直接能量沉積工藝形成由α'馬氏體組成的微觀結(jié)構(gòu)[44]；選區(qū)激光熔化制造的 TC4 的微觀結(jié)構(gòu)主要由針狀α'馬氏體組成[37]。α晶界的厚度取決于冷卻速率，β初晶粒的大小決定α相生長(zhǎng)的最大尺寸[35，36]。在快速冷卻條件下制造的 TC4 由針狀α'馬氏體組成，通常顯示出高屈服強(qiáng)度，但延展性有限。為了改善機(jī)械性能，通常需要后續(xù)熱處理才能將α'馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)棣料啵鋵挾戎饕Q于熱處理的峰值溫度（在低于β相轉(zhuǎn)變溫度進(jìn)行熱處理），后續(xù)進(jìn)行爐冷對(duì)于提高整體延展性和拉伸性能是最佳方法。經(jīng)過(guò)爐冷，空冷和水淬后，β晶粒分別轉(zhuǎn)變?yōu)閷悠瑺瞀?β，魏氏組織和α'馬氏體[36]。層片狀α+β和魏氏組織導(dǎo)致較低的拉伸性能，而相比于二次處理后獲得的組織結(jié)構(gòu)，α'馬氏體的延展性較差。除后續(xù)熱處理外，α'馬氏體相也可在增材制造過(guò)程中原位分解，有研究工作發(fā)現(xiàn)在激光選區(qū)熔化制備過(guò)程
觀察到馬氏體的分解，其中α'馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)槌?xì)層狀（α+β）結(jié)構(gòu)[37]，該轉(zhuǎn)變是由上一層逐步沉積過(guò)程產(chǎn)生的多個(gè)熱循環(huán)導(dǎo)致的[37, 38]，因此需要仔細(xì)控制加工參數(shù)，例如層厚，散焦和激光束的能量密度[37]。在增材制造過(guò)程中將合金元素粉末添加到原始原料中可控制微觀結(jié)構(gòu)的形成及其性能[39]。例如在 TC4 中添加 10 wt％Mo 使得β相轉(zhuǎn)變溫度從 995℃降低到 900℃，完全抑制了β相轉(zhuǎn)變?yōu)棣?#39;馬氏體，形成 Mo 顆粒分散在β基體的微觀組織結(jié)構(gòu)，既具高強(qiáng)度又有良好的延展性[39]。
1.3 增材制造 TC4 鈦合金的力學(xué)性能
目前大量研究工作都集中在增材制造 TC4 的機(jī)械性能與工藝參數(shù)或微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，而決定微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能最重要的參數(shù)是熱輸入和冷卻速率的參數(shù)。對(duì)于TC4，即使最小的冷卻速度變化也可能會(huì)對(duì)機(jī)械性能產(chǎn)生很大的影響[45]，其中重要的影響參數(shù)包括構(gòu)造幾何形狀，尺寸和工藝條件。例如，Zhao 等人[46]的研究結(jié)果表明，零件尺寸對(duì)電子束熔融成形的 TC4 的機(jī)械性能有重大影響，特別是小樣品（直徑約 1.7 毫米棒材）與大樣品（直徑約 7 毫米棒材）相比，強(qiáng)度高約 20％，延展性降低 80％，造成這種差異的原因是小樣品較快的冷卻速率和相對(duì)更大孔徑形成的更薄的延展性α板條（小零件為 0.4 μm，大零件為 1.4 μm）[46]。Hrabe 等人[47]研究電子束熔融工藝參數(shù)變化對(duì) TC4 的機(jī)械性能的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，增加熱輸入使得熔池尺寸增大，從而導(dǎo)致較低的溫度梯度，因此增加了板條厚度和β初晶粒尺寸，微觀結(jié)構(gòu)尺寸的增加導(dǎo)致屈服強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度和硬度降低。
增材制造過(guò)程中例如缺陷，構(gòu)建位置和掃描策略等因素也會(huì)直接影響機(jī)械性能。例如，Galarraga 等人[48]發(fā)現(xiàn)電子束熔融工藝制造的樣品的內(nèi)部孔隙度取決于樣品在構(gòu)建平臺(tái)中的位置。樣品臺(tái)中間的樣品的孔隙率（0.25％）比邊緣的樣品的孔隙率（0.09％）高兩倍以上。此外還發(fā)現(xiàn)，由于在長(zhǎng)軸方向這些孔沿縱向排列，通常包含部分熔融顆粒的非球形孔使機(jī)械性能下降，橫向方向比縱向方向的機(jī)械性能差。在橫向方向上施加張力時(shí)，這些扁平孔的尖銳邊緣處產(chǎn)生應(yīng)力集中，而當(dāng)沿孔的長(zhǎng)軸施加張力時(shí)則不起作用。
結(jié)果表明，垂直或橫向樣品的伸長(zhǎng)率比水平或縱向樣品低 28％[48]。增材制造的 TC4 的力學(xué)性能如表 1-1，表 1-2 為進(jìn)行熱處理后的增材制造 TC4 的力學(xué)性能。
圖 1-5 為塑性-拉伸強(qiáng)度圖[5]，分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度塑性未成反比例關(guān)系，原因可能在于其低應(yīng)變硬化能力，其他數(shù)據(jù)點(diǎn)的分散可能是由于不同的增材制造方法、使用的參數(shù)不同、熱源效率和零件尺寸的幾何形狀不同等。
為了分析機(jī)械性能的各向異性，圖 1-6（a）總結(jié)了沿橫向和縱向方向的拉伸強(qiáng)度[5]，結(jié)果顯示既沒(méi)有各向異性也沒(méi)有各向同性的明顯趨勢(shì)，這又可以歸因于 TC4 的低應(yīng)變硬化能力。圖 1-6（b）總結(jié)沿橫向和縱向的延展性[5]，可以觀察到延展性數(shù)據(jù)較分散，這是因?yàn)樵霾闹圃斓墓に噮?shù)，孔隙率，內(nèi)部缺陷和殘余應(yīng)力導(dǎo)致的微裂紋等微小變化都對(duì)其產(chǎn)生較大影響[5]。
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