增材制造钛合金组织及性能研究现状

近年来，由于钛合金的优良特性，如高比强度、耐腐蚀性和生物相容性，使其在航空航天、医疗、海 洋等领域得到了快速发展［1］。增材制造（ａｄｄｉTiｖｅｍａｎｕｆａｃ⁃ｔｕｒｉｎｇ，ＡＭ）技术 凭借着特有的全数字化、凝固速度快和近净成形复杂零部件的独特优势，为金属基材料的制备提供一种极 具潜力的新方法［2，3］。随着定制化需求的不断增加，推动了增材制造的快速发展，同时也为其迎来 了新的发展机遇。增材制造目前主要用于制备钢、钛合金、高熵合金、复合材料和形状记忆合金等材料 ［4-9］。在快速成型和小批量生产方面，与传统的减材制造方法相比，增材制造技术能够创造更大的经 济效益。通过增材制造技术制备钛合金的成本较低，而且能够设计自由，制造出用户定义的复杂结构，这 是很难通过其他传统制造方法生产的［10，11］。

为梳理近年来本领域的相关研究现状，为相关从业人员提供技术参考，本研究综述了增材制造钛合金 组织及性能的研究进展，从力学性能、疲劳性能、高温氧化性能、摩擦磨损性能以及生物相容性几个角度 进行了梳理，总结了合金化和热处理对增材制造钛合金组织及性能影响。

1、研究进展

1.1　力学性能

Ｌｉ等［12］为了减少电弧热输入并细化柱状晶粒，采用热丝电弧增材快速成型制备了4个Ti-6.5Al-3.5Ｍｏ-1.5Zr-0.3Si样品。研究发现，粗大的柱状晶粒得到了极大的细化，最终得到了由等轴晶 粒和短柱状晶粒组成的组织。同时，α-板条的宽度也得到了细化。力学性能与晶粒变化相一致，各向 异性几乎消失。而且，可以通过热丝电弧增材制造获得具有优异综合力学性能的零件。

张明朗等［13］研究了增材制造TA15钛合金直壁构件不同区域的组织特征及拉伸性能。由图1可 以看出，受热输入、热循环及冷却速度的影响，构件不同区域组织存在明显差别，主要有针、片状α、针 状马氏体α′、网篮组织、魏氏组织及大等轴原始β晶。中、下层存在短棒状α，为初生α。垂 直于焊缝方向与平行于焊缝方向的拉伸性能不同，存在明显各向异性。

王继航等［14］研究了预埋缺陷的尺寸、位置对激光选区熔化（ｓｅｌｅｃTiｖｅｌａｓｅｒｍｅ ｌTiｎｇ，SLM）技术制备含人工设计缺陷的TC4钛合金室温拉伸性能的影响。研究结果显示，由 于ＳＬＭ成形过程人工植入缺陷内包含的合金粉末无法排出，热处理后在孔洞缺陷表面烧结，导致缺陷 实际尺寸较设计尺寸略小。当预埋缺陷直径小于0.7mm时，对合金抗拉强度几乎不产生影响，试样断裂 均发生在非预埋缺陷区；当预埋缺陷直径超过0.7mm后，抗拉强度随缺陷尺寸增大显著降低，试样断裂 均发生在预埋缺陷区。合金延伸率受缺陷的影响较为显著，随着缺陷尺寸的增大，延伸率整体呈现逐渐 降低的趋势，当缺陷尺寸超过0.7mm后，延伸率急剧降低，缺陷尺寸超过0.9mm后，延伸率在2％～4 ％范围内波动。

Ｎａｄａmmａｌ等［15］采用4种不同的能量密度制备了新型骨科β钛合金Ti-35Nb-7Zr- 5TA。研究发现，所有条件制备的试样理论密度均大于98.5％。在较高的能量密度输入下，缺陷越小 ，密度越高。在最高的能量密度输入下观察到细胞到柱状树枝晶的转变，同时凝固的晶粒尺寸增加，表 明温度梯度和凝固增长率的协同效应。密度测量表明，能量密度为50.0J/mm³时达到了 约99.5％的理论密度。能量密度为54.8J/mm³时，通过形成柱状树枝状的亚结构，获得 了最大的拉伸强度约660MPa，所有制造的部件均呈现25％～30％的高延展性。

方远志等［16］借鉴激光摆动焊接技术，提出一种激光摆动送粉增材制造TC4钛合金工艺，借助激 光原位摆动改变熔池运动轨迹进而影响温度梯度和凝固速率，改善增材制造钛合金的微观组织，研究了激 光摆动送粉增材制造工艺对TC4钛合金微观组织演变及力学性能的影响。研究发现，无摆动激光熔化沉 积实验的最佳工艺参数为：激光功率1000Ｗ，扫描速率8mm/s，送粉速率6.92g/min；直 线型激光摆动的最佳工艺参数为：摆动频率200Hz，摆动幅度1.5mm。

直线型激光摆动对熔池形貌改善显著，气孔和裂纹等缺陷较少，柱状晶数量和尺寸均有所减小，并且 晶粒出现了等轴化的现象。相比无摆动样品，激光摆动后Ti-6Al-4V合金单道区域平均晶粒尺寸从 5.20μｍ减小到4.37μｍ，硬度从418.00ＨＶ提升到428.75ＨＶ。

以上研究表明，对于增材制造钛合金力学性能的研究首先要集中在显微组织上。由力学性能的变化 趋势可以反映出内部组织的变化规律。

1.2　疲劳性能

池维乾等［17］采用旋转弯曲疲劳测试（ｆ＝50Hz，R＝-1）与超声频率（20kHz）疲 劳测试研究了选区激光熔化技术制造的Ti-6Al-4V合金超高周疲劳行为。

研究结果表明，经热等静压处理的增材制造Ti-6Al-4V合金与锻造的Ti-6Al-4V合金疲劳性能 相当，且不同加载方式对超高周疲劳范畴内疲劳性能影响显著。在旋转弯曲疲劳试验下，疲劳裂纹从试 样表面开始萌生，而对于超声疲劳测试，存在试样表面和内部的裂纹萌生，且超高周疲劳裂纹趋于在试样 内部萌生，并且疲劳断口呈现“鱼眼”形貌特征。对断裂面裂纹萌生处的细晶区（FGA）进行电子背 散射衍射与透射电子显微镜观测。结果表明，增材制造Ti-6Al-4V合金超高周疲劳裂纹萌生与早期 扩展

区域存在不连续的细小晶粒区域，是由位错相互作用导致晶粒细化进而形成微裂纹以及形成于α相 、晶界等的微裂纹共同作用所致。

高一峰等［18］研究了退火态TA15合金的疲劳性能与疲劳断裂失效行为。结果表明，退火态Ｔ Ａ15合金的轧向和纵向组织均以α/β片层交叠形成的网篮组织为主，局部存在等轴晶粒分布。通 过对Ｓ-Ｎ曲线进行拟合，TA15钛合金疲劳极限为311MPa。试样断口包含疲劳裂纹源区、疲劳裂纹扩 展区和瞬断区。裂纹均从表面萌生，同时裂纹扩展区存在大量的疲劳辉纹和二次裂纹，瞬断区由等轴状 的韧窝构成，呈现典型的准解理断裂特征。在低循环应力下，裂纹主要穿过或沿着α／β片层组织 进行扩展，裂纹扩展路径较长；在高循环应力下，裂纹开始沿着原始β晶界扩展，二次裂纹扩展路径较 短但数量较多。疲劳裂纹容易沿着组织中相对薄弱的位置进行扩展，并且二次裂纹周围有裂纹分支生成。

黄兴等［19］选取丝材电弧增材制造TC4钛合金进行试验，建立了疲劳裂纹萌生寿命有限元预测模 型，通过与实验结果对比，验证了该模型在预测TC4钛合金疲劳裂纹萌生寿命方面的可行性。试验结果 表明，增材制造TC4钛合金的弹性模量、抗拉强度、泊松比与TC4钛合金锻件相近，但疲劳性能与传 统TC4锻件相差甚远，建立的疲劳裂纹萌生寿命预测模型结果与试验结果误差小于40％，具有一定的 参考意义。Ｋｏｎｄａ等［20］采用K-近邻算法（ｋ-ｎｅａｒｅｓｔｎｅｉｇｈｂｏｒｓ， ＫＮＮ ）、决策树（ｄｅｃｉSiｏｎｔｒｅｅ，ＤＴ）、随机森林（ｒａｎｄｏｍｆｏｒｅｓｔ，ＲＦ）和 极端梯度提升（ｅＸｔｒｅｍｅｇｒａｄｉｅｎｔｂｏｏｓTiｎｇ，ＸＧＢ）算法等四种机器 学习（ｍａｃｈｉｎｅｌｅａｒｎｉｎｇ，ＭＬ）算法来分析Ti64合金的疲劳裂纹扩展速率（ｆａTi ｇｕｅｃｒａｃｋｇｒｏｗｔｈｒａｔｅ，ＦＣＧＲ）。在调整了这些算法的超参数后，发现训练过 的模型对未见过数据的估计与训练过的数据一样好。在训练和测试阶段，根据其平均平方误差和Ｒ2， 对4个测试的ＭＬ模型进行了相互比较。与其他模型相比，由于ＸＧＢ算法具有最小的均平方误差和 更高的Ｒ2，因此在ＦＣＧＲ预测中更准确。Ｓｙｅｄ等［21］研究了单程、平行程和振荡沉积三种 增材制造方式对Ti-6Al-4V的疲劳裂纹生长行为的影响。研究结果显示，由于较高的局部热输入， 与单程和平行程方式相比，振荡沉积表现出明显较粗的柱状β晶粒结构以及较粗的转化微观结构。在 三种制造方法中，振荡沉积的裂纹生长率最低。裂纹大致介于再结晶α（轧制退火）和β退火的锻 造材料之间。

当裂纹垂直于沉积层传播时，疲劳裂纹的增长速度较低。在提到的三种增材制造工艺中，在较低的应 力强度系数范围内（＜25MPa·ｍ^1/2），微观结构对裂纹生长速度的影响更大。

综上所述，目前对于钛合金疲劳性能的研究主要是试验和模拟两方面。进行模拟能够在最大程度上 避免未知缺陷，提高材料性能研究的效率。

1.3　高温氧化性能

高温氧化性能是钛合金在航空航天发动机应用上最为重要的性能，直接决定着服役的安全性。张利 等［22］介绍了耐热钛合金和增材制造钛合金抗氧化性能的研究现状，以及近年来对提高钛合金抗高温氧 化性能的合金化和表面改性等技术手段的研究进展。

展望了进一步改善采用增材制造技术制备的钛合金抗高温氧化性能的研究方向。ＦＵ等［23］用电 弧增材制造法生产的Ti6Ａｌ7Nb合金在800℃下被氧化，以确定由热影响带（ｈｅ ａｔａｆｆｅｃｔｅｄｂａｎｄｓ，ＨＡＢｓ）引起的氧化差异。氧化动力学证明，与非ＨＡＢｓ区 相比，具有紧密β板条的ＨＡＢｓ具有更强的抗氧化性。β相中富含的Nb元素促进了Ti3Ａｌ 在氧化后在β板条的原始位置析出，与β板条的间距相似。紧凑的Ti3Ａｌ在ＨＡＢｓ上的形成有 利于抑制氧气在氧化层／基体界面上的扩散。

航空发动机在服役过程中需要长时间承受高温，因此，钛合金的高温氧化性能是研究的重点，下一步 应该重点研发抗高温氧化性能的钛合金。

1.4　摩擦磨损性能

Ｓｕ等［24］对Ti-6Al-4V合金进行了直接时效和固溶时效处理，以提高其摩擦性能。在正 常载荷（2.5～40Ｎ）和滑动速度（50～800ｒｐｍ）范围内，采用干式滑动磨损试验来研究其综合 磨损行为。结果表明，形成了高密度的Ti3Ａｌ沉淀物，并且在固溶处理过程中发生了α′→α＋β 的分解。磨损形态和磨损机制在很大程度上取决于微观结构特征、外加载荷和滑动速度。Ｍａｎｔｒｉ 等［25］研究了硼对增材制造钛合金硬度和磨损性能的影响。结果显示，ＴＮＺ（成分为Ti-13Nb- 13Zr）试样的整体硬度值为325ＨＶ，略高于文献。造成这种现象的原因是在制作试样时采用了激光工程 化净成形（ｌａｓｅｒ-ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄｎｅｔｓｈａｐｉｎｇ，ＬＥＮＳ）打印技术，从而产 生了细晶粒和残余应力。在ＴＮＺ中加入硼后，ＴＮＺ-Ｂ的硬度值增加到450ＨＶ。硬度值的增加 归因于原位TiＢ沉淀的形成。此外，与ＴＮＺ合金相比，ＴＮＺ-Ｂ的磨损率由于硬度的增加而降 低，硬度增加是由于TiＢ的形成以及α沉淀体积分数和形态的变化。

图2（ａ）（ｂ）为两种试样的磨痕，图2（ｃ）（ｄ）为三维扫描白光干涉仪（3Ｄｓｃａｎｎｉ ｎｇｗｈｉｔｅｌｉｇｈｔｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ，ＳＷＬＩ）图像。由图可以看出，在添加 硼以后，磨损深度明显减小，磨损面也变得更加平整，表明硼的加入显著提高了耐磨性。

1.5　生物相容性

钛合金的生物相容性是作为人体植入材料需要考察的一项重要内容，生物材料表面在局部条件下的电 化学行为是影响植入成功与否的重要因素。Ａｙｄｉｎ等［26］研究了增材制造钛合金在模拟正常、炎症 和严重炎症条件的三种不同介质中浸泡1ｈ和12ｈ后的电化学行为。极化研究表明，在所有情况下 ，耐腐蚀性都会随着浸泡时间的延长而增加。研究发现，在炎症条件下，Ｈ2Ｏ2会对被动层的电阻产生 破坏作用，而在严重炎症条件下，白蛋白、乳酸盐和Ｈ₂Ｏ₂都会协同降低钛层 的耐腐蚀性。电化学阻抗数据表明，在严重炎症条件下，带电的白蛋白会吸引到局部点蚀区域，从而改 变腐蚀性物质在金属／被动层界面的扩散传输。

电化学测试还证明，与未经处理的相同成分的钛相比，增材制造钛合金表面在模拟溶液中的耐腐蚀性 更好。研究表明，新的表面形貌和润湿性也是增材制造钛合金试样腐蚀性能得到改善的积极因素。图3 为增材制造商业纯钛（ＣＰ-Ti）和Ti-6Al-4V在模拟介质中浸泡1ｈ和12ｈ后的开 路电位（ｏｐｅｎｃｉｒｃｕｉｔｐｏ⁃ｔｅｎTiａｌ，OCP）。由图可以看出，在模拟炎症和严重炎 症环境中，OCP值向电位正方向移动，可能是Ｈ₂Ｏ₂分解为Ｈ₂和Ｏ₂， 从而在缓慢的氧还原反应中起到了额外的阴极反应的作用。早期的研究表明，炎症溶液中的正OCP 值可归因于氧化中间产物（如ＨＯ₂和ＨＯ）吸附到钛基材料的膜上。在严重炎症条件下， 向炎症溶液（Ｈ2Ｏ2＋ＰＢＳ）中添加ＢＳＡ和ＣＬＨ会降低OCP值。

Ｎｉｋｏｌａｅｖａ等［27］根据铜的添加量，研究了增材制造钛合金对金黄色葡萄球菌和白色念 珠菌的抗菌活性。结果表明，将材料中的铜含量提高到9.7％，可使含铜基质上的细菌数量减少99％。 这种基底抗菌活性的增强是由于Ti6Ａｌ4／Ｃｕ合金释放出铜离子。

范东阳［28］通过选择性激光熔化（ＳＬＭ）技术制造了一种新型梯度含铜钛合金（TC4-5Ｃｕ ／TC4），研究了其对变形链球菌的抗菌作用。结果表明，铜元素在TC4-5Ｃｕ／TC4合金表面 80μｍ范围内均匀分布，同时两合金的亲水性和粗糙度基本相同。TC4-5Ｃｕ／TC4合金的Ｃｕ^2＋释放浓度（第28天的释放浓度约为（18.73±0.87）μｇ／Ｌ）低于离子的最小抑 制浓度ＭＩＣ（28ｐｐｍ）及最小杀菌浓度ＭＢＣ（56ｐｐｍ），这与该合金对浮游细菌缺乏抗菌作 用的结果一致

。相反，TC4-5Ｃｕ／TC4合金对附着菌具有显著的杀菌效果（抗菌率约为74.93％±5.32％ ）、抑制生物膜能力（抗生物膜率约为63.58％±1.54％）和下调相关基因表达的作用。

2、不同处理方式对增材制造钛合金组织及性能影响

2.1　添加合金元素

刘晏硕等［29］通过增材制造技术制备了TC4与TC4＋Nb沉积态样件，研究了Nb对TC4 沉积态显微组织、相组成及力学性能的影响规律。结果表明，TC4与TC4＋Nb沉积态的组织均由大 量α-Ti及少量β-Ti构成。随着Nb含量从0增加到8％，TC4沉积态的原始β-Ti和初生 针状α-Ti平均晶粒尺寸逐渐减小，初生针状α-Ti尺寸减小了67.4％；同时网篮组织得到细化，β相含量明显增加。添加Nb能够显著提高Ｔ Ｃ4沉积态样件的拉伸性能，TC4＋6％Nb沉积态样件拉伸性能最优，满足锻件标准要求。

左新德等［30］研究了TA添加对ＮｉTi合金的微观组织、相变行为、力学性能以及抗腐蚀能力的 影响。

结果表明，与ＮｉTi合金相比，ＮｉTiTA合金的晶粒显著细化，析出相由ＮｉTi合金中的Ｎｉ 3Ti转变为Ｎｉ（Ti，TA）2。此外，其相变温度显著提高，这导致了室温下的组织由完全奥氏体相 （Ｂ2）转变为奥氏体（Ｂ2）和马氏体（Ｂ19’）的混合相。拉伸试验结果表明，ＮｉTiTA合金试 样相较于ＮｉTi合金试样的抗拉强度提升了9.5％，但延伸率下降了6.8％。极化曲线结 果表明Ｎｉ⁃TiTA合金具有更高的自腐蚀电位和更小的腐蚀电流密度，抗腐蚀能力显著提升。Ｙａｎｇ 等［31］研究了0～5％的Si对Ti-35Nb-5TA-7Zr合金强度和耐磨性的影响。结果表明，微观 结构是由粗柱状晶粒组成的。随着硅含量的增加，等轴晶粒逐渐减小，β晶粒的形态发生了很大变化。 从图4中可以看出，ＴＮＴＺ-5Si的微观结构由细小的等轴β晶粒组成和细长的β晶粒组成。Si的加 入能显著提高屈服强度，这主要是由于晶粒细化强化所致。与此同时，在ＳＢＦ（Siｍｕｌａｔｅｄ ｂｏｄｙｆｌｕｉｄ）溶液中，ＴＮＴＺ-5Si合金的磨损率仅为Ti-6Al-4V合金的约30％。综上 ，钛合金在添加Ｎｄ、TA和Si合金元素后，的确起到了细化晶粒提高性能的作用，在实际应用时应该 根据使用范围和服役条件具体分析。

2.2　热处理

Ｗａｎｇ等［32］采用激光定向能沉积（ＬＤＥＤ）技术，制备了一种具有新成分的α＋β钛合 金，并研究了950℃／1ｈ／空冷＋530℃／6ｈ／空冷退火对组织的影响。

图5中（ａ）（ｂ）为沉积状态微观结构，（ｃ）（ｄ）（ｅ）为热处理状态的微观结构，（ｆ）为 αｐ纤维根形态演变的横截面示意图。沉积后的新α＋β钛合金呈现出近等轴的先β晶粒和超细网 篮微观结构，其中α板条的厚度为（0.4±0.1）μｍ。通过宏观扩散形成了厚度为（1.4±0.2）μｍ 的初级α（αｐ）纤维根形态，这种特殊形态是延展性得以改善的主要原因。借助这种特殊形貌和细 小次生α（αｓ）的成核，极限抗拉强度（ＵＴＳ）和延展性可达到（1247±3）ＭＰａ和（9.2±0.2 ）％。

张国栋等［33］分析了不同热处理状态的增材制造TC11钛合金微观组织和室／高温拉伸性能及其各 向异性。结果表明，沉积态微观组织为沿＜001＞β方向生长的柱状晶。晶界存在连续α相，晶体内 部由集束和网篮α相组成的片层组织。经950℃／2ｈ／空冷＋530℃／6ｈ／空冷的热处 理后晶界连续α相破碎，晶内α相宽度从1.1μｍ增加至1.8μｍ，并形成具有二次α相的双片层 组织。沉积态室温及500℃高温拉伸性能均具有明显的各向异性。经过热处理后室／高温拉伸性能 均获得改善并高于锻件要求且各向异性明显降低。与沉积态相比，热处理态室温抗拉强度和断后伸长率 各向异性分别从4.4％和27.1％降低至1.6％和5.4％。柱状晶及其晶界连续α相是引起塑性各向异性 的原因。

刘祥宇等［34］研究了不同固溶温度对高功率增材制造TA15的物相组成、微观组织以及力学性能各 向异性的影响规律。结果表明，平行增材方向上的组织主要体现为外延生长的柱状晶，垂直于增材方向 的组织则为等轴晶。并且随着固溶温度的下降，柱状晶与等轴晶的尺寸明显减小。在850℃ ／2ｈ／风冷＋650℃／3ｈ／空冷的热处理条件下，具有更高的抗拉强度（横向1017.8 MPa，纵向991.9MPa）与屈服强度（横向929.9MPa，纵向893.1MPa）；在950℃／2ｈ／风 冷＋650℃／3ｈ／空冷的热处理条件下，具有更优的伸长率（横向16.7％，纵向17.2％）与断面 收缩率（横向32.7％，纵向43.7％）；随着固溶温度的提升，TA15拉伸性能的各向异性降低。

张颖等［35］研究了双重退火工艺（890℃×1ｈ／ＦＣ＋750℃×2ｈ／ＡＣ，570℃×4 ｈ／ＡＣ）对激光增材沉积和修复两种状态的TC18钛合金的组织和力学性能的影响，并与原始锻件 TC18钛合金进行比较。结果表明，激光增材修复试样微观组织为典型的类铸态组织，主要由层状β 晶粒组成。激光增材修复试样经双重退火后为魏氏组织，原始β晶界仍清晰可见，晶内分布着交错的 （α＋β）集束。经双重退火后，激光增材沉积试样强度低于锻件，塑性高于锻件，激光增材修复试样的 性能介于两者之间，其冲击性能比锻件的冲击性能高约60％。激光增材沉积、激光增材修复两种状态经退 火热处理后力学性能都能达到TC18锻件规定值。

陈素明等［36］研究了退火工艺参数对增材制造TC18钛合金力学性能和组织的影响。结果表明， 增材制造TC18钛合金试块宏观形貌平整，表面没有裂纹等缺陷，表面呈均匀的银白色。试样经600 ℃退火保温2ｈ后的各项力学性能均满足ＧＪＢ2744Ａ-2007指标要求，其规定塑性延伸强度为1 036MPa，抗拉强度为1084MPa，断后伸长率为9.8％，断面收缩率为30％。增材制造TC18钛合金 的组织为典型的柱状晶组织，粗大的β相柱状晶粒内为细长的针状α相及编织细密的α＋β相板条 组织，随着退火温度的升高，β相柱状晶内的针状α相逐渐粗化。

综上所述，利用热处理工艺对钛合金进行处理已经成为一种简单高效的途径，通过改变相应的工艺即 可获得性能优异的钛合金材料。

3、结束语

随着个性化需求的不断提高，增材制造技术也迎来了不错的发展前景，但目前对增材制造技术的研究 还不系统。本研究总结了近年来增材制造钛合金研究取得的研究成果，从力学性能、疲劳性能、高温氧化 性能、摩擦磨损性能和生物相容性角度对性能的研究进行归类总结，介绍了添加合金元素和进行热处理对 钛合金组织及性能的影响。可以看出，通过不同的处理手段均取得了一定的研究进展，得到了组织细化、 性能强化的研究机理，下一步应继续加强这方面的研究，不断推进工程实际的应用。

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