面向航空航天与生物医疗的SLM增材制造钛合金全链条研究综述——从成形机理工艺参数影响、多相组织调控，总结国内外最新成果，指出机理研究不足、工艺数据库缺失、异种合金制造空白等关键问题

引言

钛合金因具有比强度高、耐腐蚀性好、密度小、热强度高、低温性能好、弹性模量小、生物相容性优良等优点，而在航空航天、兵器工业、核能装备、石化装备、医疗器械等领域得到大量应用[1,2]。对于钛合金，传统的加工方式主要为:铣削、锻造、轧制、挤压、拉拔等，但由于钛合金具有较低的热导性和较低的体积比热以及较高的高温强度，使得钛合金传统加工方式生产周期长、生产成本高、加工难度大，大大限制了钛合金在工业生产上的应用[3,4]。特别是在航空航天领域，随着轻量化设计及对成本管控要求的越来越高，相关零部件的内部结构和外观设计越来越复杂，这对传统的加工制造方式提出了更高的挑战，甚至无法完成加工制造[5]。

近几十年成形并获得快速发展的增材制造技术，可以轻松突破钛合金在传统加工方式中存在的局限性。激光选区熔化技术(Selective Laser Melting，简称SLM)作为增材制造领域最具代表性的技术，因具有成形精度高、成形零件致密度高、良品率高、制造适应性强等特点，在钛合金相关的高端装备制造领域获得广泛应用[6]。SLM技术原理如图1所示:首先利用分层切片软件获得零部件每一层的截面信息和扫描轨迹，然后以激光为热源，激光振镜系统在计算机的控制下根据获得的截面信息和扫描轨迹逐层选择性地使金属粉末快速熔化后凝固结晶，逐层堆积最终形成所需要的零部件[7-9]。SLM增材制造钛合金技术是近些年快速发展起来的一项技术，国内外很多科研工作者针对这一领域开展了大量研究工作，尽管该项技术在商业化应用方面还处于起步阶段，但也取得了大量研究成果[10-12]。本文就针对近几年的最新研究成果，组织性能、制造结构及后处理等几个方面加以总结，以促进对该技术的研究，推动该项技术更快、更广泛地走向产业化。

1、增材制造工艺的研究

对于SLM技术增材制造钛合金工艺的研究，世界各国的学者开展了大量工作，研究内容主要聚焦在增材制造工艺参数对增材制造产品精度、表面粗糙度、致密度等的影响方面。研究对象主要涉及到激光功率、扫描速率、单层铺粉厚度等主要参数，对于次要工艺参数:光斑大小、扫描路径、成型方向、支撑添加等则研究较少[13-15]。随着对SLM技术研究的深入以及SLM技术的进步，对于钛合金SLM增材制造工艺的研究提出了更多工艺参数以及更科学的工艺参数。福州大学的邵海龙等人[16]通过控制激光功率、扫描速率、单层铺粉厚度构筑单层单熔道，对比了线能量密度和体能量密度对钛合金成形质量的影响，修正了体能量密度的计算方法。同时，也证明了体能量密度相对线能量密度对SLM增材制造钛合金成形质量具有更紧密的相关性，更适合作为评定增材制造成形质量的关键工艺参数。

为了提高SLM增材制造产品的尺寸和制造速率，最近几年又出现了双光束SLM技术、多光束SLM技术。双光束SLM技术和多光束SLM技术的出现又引入新的工艺参数，例如:拼接顺序、扫描顺序、扫描路径、激光数量等[17]。华中科技大学的佘保桢对比研究了单光束、双光束、四光束SLM增材制造钛合金过程中，拼接宽度、扫描方向、扫描策略、扫描宽度等工艺参数对成形质量的影响，这为多光束SLM增材制造工艺的应用和工艺优化打下了基础[18]。

为了进一步提高SLM技术增材制造钛合金的性能，部分研究人员还提出了在增材制造的过程中添加增强相的工艺方法。例如阿迪理工学院的Bonthala等人[19]通过在钛合金SLM增材制造的过程中添加生物硅石增强相的方式，显著提高了增材制造钛合金的机械性能。哈尔滨工业大学的安奇[20]等人通过使用少量的TiB₂颗粒在原位制备了TiB菱形晶(TiBw)增强的Ti6.5Al2.5Zr1Mo1V复合材料，通过调整工艺参数不仅可以提高钛合金的强度，同时还能提高致密度。浙江海洋大学的李振华团队和程玉龙团队向SLM增材制造的钛合金中分别添加了不同含量的CeO₂、不同含量的Y₂O₃,结果表明添加适量的两种化合物可以显著提高钛合金的强度和耐磨性[21,22]。

从以上研究成果来看，近些年对于SLM技术增材制造钛合金工艺的研究，主要还是集中在增材制造工艺的改进和工艺参数的优化方面[23,24],对于工艺参数影响成形质量的机理方面的研究还比较少,这不利于从根本上解决成形质量缺欠的问题。

2、组织性能的研究

2.1增材制造钛合金组织性能的研究

随着SLM增材制造钛合金技术在工业生产中的应用，越来越多的研究人员将研究重点聚焦在增材制造钛合金的组织性能方面。对于钛合金组织的研究主要是:增材制造合金的结晶组织、组织分布、物相含量及分布、晶粒尺寸、晶粒形状及组织缺陷(空隙、未熔合、裂纹、残余应力)等;对于钛合金力学性能的研究主要是:强度、硬度、疲劳性能、磨损性能以及力学性能的各向异性等方面[25-30]。美国能源部的Isuri等人[31]主要研究了SLM增材制造钛合金Ti-5553(Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr)的微观结构、维氏硬度以及电化学性能，并对比研究了表面处理(打磨和抛光)前后钛合金样品的耐腐蚀性。结果表明，打磨和抛光处理可以提高钛合金样品的耐腐蚀性。西班牙马拉加大学的安德烈斯等人[32]通过拉伸试验、双缺口拉伸试验和埃里森杯形试验等手段研究了SLM增材制造钛合金Ti6Al4V的延展性，表明增材制造的钛合金样品的延展性低于轧制钛合金的延展性，同时指出后热处理可以提高增材制造钛合金样品的延展性。

由于钛合金具有良好的生物相容性，有些学者还针对SLM增材制造钛合金的生化性能进行了研究。中南大学的ZhuMZ等人[33]针对SLM增材制造的Ti-3Cu合金的耐腐蚀性和抗菌性进行了研究。研究结果表明，相对CP-Ti合金，Ti-3Cu合金的耐腐蚀性和抗菌性均都较高。石勒苏益格-荷尔斯泰因大学医学院的Hendrik等人[34]针对SLM增材制造的NiTi钛合金在骨内和骨膜下应用时的生物相容性进行了研究，表明SLM增材制造的NiTi合材料具有良好的生物相容性，适用于骨内和骨膜下的种植。

近几年，有关学者还对比了不同增材制造技术制备的钛合金组织性能的差异。墨西哥国立自治大学的Liliana等人[35]针对电子束熔化(ElectronBeamMelted，简称EBM，技术原理如图2所示)增材制造技术和SLM增材制造技术制备的Ti-6Al-4V合金的微观组织结构和性能进行了对比研究，结构表明两种方式制备的Ti-6Al-4V合金内a相和β相的含量相当，但EBM制备的样品晶格参数更大、屈服强度更高、耐腐蚀性更好。美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的Bertsch等人[36]对比研究了EBM和SLM两种不同方式增材制造的钛合金微观组织特征与材料变形、失效机理之间的关系，结果表明EBM增材制造的钛合金孔隙率更低，同时还证明了相分布和孔隙密度是材料屈服强度和失效应变最主要的影响因素。北京科技大学的徐伟等人[37]对比研究了SLM增材制造和激光金属沉积(LaserMetalDeposition，简称LMD)增材制造钛合金Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V(TA15)的腐蚀性能和磨损性能，并与传统的锻造钛合金进行了比较，其研究结果表明SLM增材制造的TA15钛合金,比LMD制造的TA15钛合金和锻造的TA15钛合金具有更好的耐磨性和耐腐蚀性。

从以上研究结果可以看出，当前对于SLM增材制造钛合金的研究还主要局限于静态机械性能的研究及实验室条件下组织性能的研究，对于服役状态的动态组织演变和机械性能的研究还比较少。例如，对钛合金部件在高温、低温、腐蚀等苛刻服役条件下的组织演变、机械性能的研究等，这些研究对于推动SLM增材制造钛合金在工业生产上应用大有裨益。

2.2工艺参数对组织性能影响的研究

SLM增材制造钛合金的组织性能与增材制造的工艺参数密切相关，因此很多学者针对增材制造的工艺参数对钛合金的组织性能的影响开展了大量研究。研究中涉及到的工艺参数主要有激光功率、扫描速率、能量密度、层厚等，主要研究了这些工艺参数对增材制造钛合金的显微组织、力学性能、致密度、粗糙度、耐腐蚀性等性能的影响[38,39]。福建理工大学的刘晨等人{40}通过数值模拟与实验相结合的方式研究了SLM增材制造TC4钛合金时熔融轨迹重叠率对钛合金致密度和力学性能的影响，两种研究方式都证明了过小的熔融轨迹重叠率会降低钛合金的致密度，过大的熔融轨迹重叠率会降低钛合金的强度。该研究建立了熔融轨迹重叠率和SLM增材制造钛合金成形质量的关系，这为以后利用数值模拟的方式预测SLM增材制造钛合金的成形质量提供了最原始的数据模型。

铜陵学院的方军等人[41]研究了SLM增材制造化硅颗粒增强钛合金复合材料时，扫描功率对钛合金复合材料机械性能的影响。结果表明，在一定扫描功率范围内，钛合金复合材料的机械性能随着扫描功率的增大而有所改善。当扫描功率超过某个阈值后，钛合金复合材料的机械性能会急剧恶化。对于不同扫描功率和扫描速率的组合对SLM增材制造钛合金的组织性能的影响，长沙理工大学、韩国工业技术研究院、南昌航空大学、首都航天机械的科技工作者都进行了深入研究。研究结果表明不同的扫描功率和扫描速率的组合对SLM增材制造钛合金的致密度和机械性能会产生显著影响[42-45]。为了综合考虑扫描功率和扫描速率的对增材制造钛合金成形质量和组织性能的影响，土耳其马尼萨·切拉尔·巴亚尔大学、郑州轻工业大学等单位的

相关学者采用能量密度来综合衡量两者的影响。结果表明能量密度可以综合衡量扫描功率和扫描速率对SLM增材制造钛合金的成形质量和组织性能的影响[46,47]。以上研究对于改善SLM增材制造钛合金的成形质量和组织性能提供了一定的研究方向，但是目前很多研究成果还没有形成具有一定共识度的结论，工艺参数对SLM增材制造钛合金组织性能的影响还需要进一步深入研究。

3、增材制造结构的研究

为了适应航空航天、医疗器械等行业的特殊需要，相关科技工作者针对SLM增材制造钛合金结构开展了大量研究。为了满足产品轻量化设计的要求，设计人员提出了重量轻、刚度大、能量吸收效率高、力学性能好的多孔金属。多孔金属主要分为有序的点阵结构和无序的泡沫化结构两类[48,49]。华西医院的李壮壮等人[50]利用SLM技术增材制造了一种功能梯度的大孔钛合金支架，如图3所示。该支架具有74%-86%的孔隙率，可以很好地模拟松质骨的自然密度梯度，且弹性模量和屈服强度与松质骨的特性非常相近。因此，这种结构的钛合金支架的研究开发为腔隙性骨缺损方面的修复提供了更多可能。华中科技大学、南昌航空大学等单位[51,52]针对不同杆径、尺寸、杆间夹角的点阵结构的SLM增材制造钛合金的能量吸收率、压缩模量、延伸率等性能进行了研究，这些研究为开发能量吸收率更好、力学性能更优的钛合金结构指明了方向。

加拿大西安大略大学的Khaled等人[53]为了进行下颌骨的修复和移植，采用SLM技术增材制造了均匀的钛合金多孔性结构，如图4所示，并对其内部缺陷、表面粗糙度及机械性能进行测试，结果证明该结构的弹性模量和强度与下颌骨相同，这项研究若能成功应用于临床，将可以为患者提供快速的定制化结构的下颌骨移植。罗马尼亚燃气轮机研究所的Mihaela等人[54]在制造燃气轮机叶片的时采用SLM增材制造了带有内部冷却通道的燃气轮机叶片，如图5所示。通过模拟的方式获得了增材制造的最佳方向，并对增材制造的精度、表面粗糙度、孔隙、裂纹、未熔合缺陷等进行了检测，结果表明以上参数都满足设计要求。该项工作的开展为燃气轮机叶片的冷却和轻量化研究提供了新的思路。

4、增材制造后处理工艺的研究

为了提高SLM增材制造钛合金的组织性能，相关科技工作者针对增材制造的钛合金开展了各种后处理工艺研究，主要包括:常规热处理、化学热处理、机械处理等几方面。

4.1常规热处理的研究

对于SLM增材制造钛合金常规热处理研究最多的主要是退火、固溶、时效三种工艺。中国核动力研究设计院、中国科学院金属研究所、上海航天精密机械研究所、重庆大学等单位都对SLM增材制造的钛合金开展了退火工艺的研究，研究的重点主要是退火温度及保温时间对增材制造钛合金物相组成、微观组织、力学性能的影响以及退火过程中组织演变规律[55-60]。这些研究的开展为增材制造钛合金的热处理工艺提供了原始数据积累，同时也可以推动SLM增材制造钛合金在航空航天等苛刻服役环境下的工业应用。中国科学院金属研究所、中国航发北京航空材料研究院、辽宁工程技术大学等单位针对SLM增材制造钛合金开展了固溶、时效处理的研究。研究结果表明，随着固溶温度的升高，钛合金的抗拉强度和屈服强度逐渐降低，而延伸率逐渐升高。相对固溶处理，经过时效处理后的钛合金强度明显提高，延伸率有所下降，同时也证明时效时温度不宜过高，否则容易导致强化效果的降低[61-64]。

除了以上研究，上海工程技术大学的王明辉等人和上海海事大学的赵元涛等人针对SLM增材制造的TC4钛合金，开展了热处理温度对微观组织结构、残余应力、强度、塑韧性、疲劳性能的影响的研究。研究结果表明，随着热处理温度的升高，钛合金的强度有所降低，但疲劳性能可以得到显著提升[65,66]。华中科技大学的文世峰等人[67]则针对SLM增材制造镍钛(NiTi)形状记忆合金，开展了热处理温度对物相、相变温度、显微硬度和力学性能的影响的研究。其研究结果表明，通过调整合理的热处理温度，可以调控该合金的相变温度，也可以提高该合金的力学性能。沈阳理工的大学的李玉海等人[68]研究了SLM增材制造的TC4钛合金低温和高温双重热处理对其断裂韧性的影响。结果表明，低温热处理可以消除增材制造钛合金的内应力，避免高温热处理过程中发生明显变形。高温热处理可以通过改善钛合金的显微组织，改善钛合金的断裂韧性，从而实现增材制造钛合金的强韧性匹配。以上这些常规热处理手段，不仅可以改善SLM增材制造钛合金的显微组织，同时也可以改善钛合金的强度、塑韧性、疲劳性能等，有效推动了SLM增材制造钛合金在工业生产上的应用。

4.2机械处理的研究

SLM增材制造钛合金尽管具有诸多优点，但通过SLM技术增材制造的钛合金零件仍存在表面质量欠佳，需要借助一定的机械加工方能满足使用要求的问题，尤其对于一些高精密的微型零部件，单纯依靠SLM增材制造技术无法达到设备需要的表面光洁度和尺寸精度。为了提高SLM技术增材制造的钛合金零件的表面光洁度和尺寸精度,相关学者提出了微铣削的后处理工艺。香港理工大学的Muhammad等人[69,70]针对SLM技术增材制造的TC4钛合金开展了材料微观组织结构(例如晶粒结构、晶粒取向)与微铣削之间的关系。

研究结果表明，相对锻造钛合金的微观组织，SLM技术增材制造的钛合在微铣削时具有更好的机加工性能，加工获得的零件表面具有更好的光洁度，加工过程对刀具的磨损也更小。

为了改善SLM增材制造钛合金零件的表面粗糙度和疲劳性能，芬兰坦佩雷大学的Amanov等人[71]提出了激光冲击强化(LaserShockPeening，简称LSP)和超声纳米晶表面改性(UltrasonicNanocrystalSurfaceModification，简称UNSM)的后处理技术，研究了两种不同的后处理技术及两种技术不同的组合处理顺序(LSP+UNSM和UNSM+LSP)对SLM增材制造钛合金晶粒尺寸、残余应力、机械性能、摩擦性能、硬度等性能的影响。结果表明:相对经LSP处理的钛合金样品，经UNSM处理的钛合金样品表面光洁度更好、机械性能和摩擦性能更优，UNSM+LSP技术组合对SLM增材制造钛合金的处理效果优于UNSM+LSP技术组合。西北工业大学的张琦等人[72]还提出采用超声喷丸(ultrasonicshotpeening，简称USP)技术来对SLM增材制造钛合金进行后处理。处理结果表明，经过USP处理后SLM增材制造钛合金表面为残余压应力，显微硬度显著提高，耐腐蚀性能得到提升。以上这些非常规的机械后处理手段，对于改善SLM增材制造钛合金的最终使用性能，拓展其应用范围提供了新的研究思路。

4.3化学处理的研究

SLM增材制造钛合金在航空航天、生物医疗等领域具有广阔的应用前景，但这些行业对零部件的疲劳性能和耐腐蚀性能都提出了较高的要求。这就要求这些零部件具有更优的表面状态，且这些零部件大多具有复杂的内部结构，常规的车、铣、磨等加工手段就无法满足表面处理的要求。为了解决这一问题，中国科学院金属研究所的蔡雨升等人[73]提出采用化学腐蚀的方式来改善SLM增材制造钛合金的表面粗糙度。采用的腐蚀液为HF/HNO3的混合液，其研究结果表明，通过调整混合液的比例、腐蚀时间等参数可以降低表面粗糙度，同时对基体尺寸的影响也较小。澳大利亚昆士兰大学的Soro等人[74]针对SLM增材制造TC4钛合金也开展了化学腐蚀后处理的研究。其研究结果表明，该方法可以成功去除表面未完全熔化的粉末，同时减少增材制作过程产生的梯度效应，该研究成果可以大大推动SLM增材制造钛合金在生物医疗器械行业的应用。

5、总结与展望

5.1存在的问题

随着SLM技术的进步以及航空航天、生物医疗器械、核电装备、石化装备等领域对钛合金需求的快速的增长，SLM增材制造钛合金近些年得到快速发展，但在SLM增材制造钛合金的研究中还存在如下问题:1)SLM增材制造钛合金技术还处于起步阶段，相关的技术还不够成熟，尤其在工业生产应用方面，该技术还远远不能满足工业生产的需要。例如:超薄钛合金零部件的增材制造，高表面光洁度钛合金零部件的制造，大尺寸、超大尺寸钛合金零部件的制造，超低内应力钛合金零部件的制造等，目前的技术仍存在很大局限性。2)当前对于SLM增材制造钛合金相关理论的研究相对于工程应用方面还比较滞后。例如，近日我国159厂航天增材公司成功研制出60光束超大尺寸增材制造设备，但SLM增材制的理论研究还处于单激光或者双激光的阶段。3)增材制造工艺参数对于钛合金样品组织性能的影响的研究还不够深入，尽管很多学者针对该问题开展了大量研究工作，但都局限于工艺参数对增材制造钛合金组织性能的影响方面，对于工艺参数影响增材制造钛合金组织性能的机理的研究还不够深入，相关的研究成果也没有形成统一的结论，且对于如何通过调整增材制造工艺参数来提高增材制造钛合金的组织性能也没有提出合理的建议和改进方向。4)对于SLM增材制造钛合金后处理工艺的研究还不够深入，尤其是对改善表面粗糙度、尺寸精度、疲劳性能、耐腐蚀性能等方面后处理工艺的研究还比较薄弱，既没有形成一定规模的研究成果，也没有获得具有代表性且处理效果良好、质量稳定的后处理工艺。5)针对SLM增材制造钛合金的研究目前还局限于单一合金的研究，对于异种合金、梯度钛合金的SLM增材制造的研究，暂未见相关研究成果。6)针对不同的钛合金，目前还没有形成专门的增材制造工艺数据库或者统一的工艺标准，这不利于SLM增材制造钛合金行业的快速、健康发展。

5.2前景展望

针对当前SLM增材制造钛合金研究中存在的问题，在未来的研究工作中可以重点开展以下几方面的工作:

1)加强SLM增材制造钛合金方面前瞻技术的研究，力争让相关的理论研究领跑工程应用方面的研究，同时工程应用方面的成果反推理论成果的研究，最终促进SLM增材制造钛合金技术在工业生产中的应用。

2)针对超薄钛合金零部件的增材制造，高表面光洁度钛合金零部件的制造，大尺寸、超大尺寸钛合金零部件的制造，超低内应力钛合金零部件的制造等开展技术攻关，通过这些技术的突破，扩大SLM增材制造钛合金的应用范围。

3)加强增材制造工艺参数对增材制造钛合金产品组织性能影响机理的研究，为改善增材制造钛合金产品组织性能提供理论依据和改进方向。

4)加强对SLM增材制造钛合金后处理工艺的研究，开发可以显著改善钛合金产品表面粗糙度、尺寸精度、疲劳性能、耐腐蚀性能的后处理工艺。

5)开展异种钛合金、钛合金/异种金属、梯度材料的增材制造研究，以满足更加复杂的服役环境。

6)针对常见的钛合金，开发标准的SLM增材制造工艺数据库，形成统一的增材制造工艺标准。

总之，SLM增材制造钛合金具有广阔的应用前景，尽管目前该技术在理论研究和工程应用方面还处于起步阶段，但在未来随着越来越多的科研工作者投入到该项工作中，经过技术迭代、优化、升级，SLM增材制造钛合金在航空航天等高端装备制造领域将发挥越来越重要的作用。

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（注，原文标题：激光选区熔化增材制造钛合金研究进展及展望_刘自刚）