引言
3D打印( Three Dimensional Printing) ，其學(xué)名為增材制造( Additive Manufacturing) ，是90 年代發(fā)展起來的快速成型技術(shù)之一。3D打印技術(shù)采用離散堆積原理［1］，根據(jù)三維實(shí)體模型，對(duì)于不同的工藝要求，按照一定厚度進(jìn)行分層，從而將三維數(shù)字模型變成厚度很薄的二維平面模型。再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理，加入加工參數(shù)，產(chǎn)生數(shù)控代碼，在數(shù)控系統(tǒng)的控制下以平面加工方式連續(xù)加工出每個(gè)薄層，并使之粘結(jié)而成型。
鈦合金具有高的比強(qiáng)度、優(yōu)異的耐蝕性以及良好的中溫強(qiáng)度和低溫韌性等優(yōu)點(diǎn)，但由于鈦合金在成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)時(shí)存在利用率低、周期長(zhǎng)、制造本高等特點(diǎn)，導(dǎo)致其在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用形成了一定的制約。由于3D打印具有快速性、低成本、制作原型所用的材料沒有限制、適應(yīng)于加工各種形狀的零件、高柔性和的高集成化等工藝特點(diǎn)［2］，近幾年來鈦合金3D打印技術(shù)在航空航天領(lǐng)域成為了重點(diǎn)研究對(duì)象而迅速發(fā)展。3D打印制件屬于各向異性不均質(zhì)材料，由于其加工制造過程的特殊性，其組織與普通工藝狀態(tài)( 如鍛件)存在較大差異，從而決定著3D打印制件的使用特點(diǎn)和力學(xué)性能存在明顯的特殊性。組織決定性能，因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過對(duì)工藝參數(shù)的設(shè)置、熱
處理方式以及其他影響組織和性能的因素等方面的大量研究。
本文擬對(duì)國(guó)內(nèi)外不同打印工藝下兩相鈦合金組織、性能研究成果進(jìn)行梳理和比較分析，闡釋堆積成型兩相鈦合金宏微觀組織特征、力學(xué)性能特點(diǎn)，并分析打印成型工藝參數(shù)、熱處理工藝等因素對(duì)其影響規(guī)律，為3D打印兩相鈦合金工程化應(yīng)用提供借鑒。
1、3D打印兩相鈦合金組織性能的研究成果
3D打印技術(shù)是將材料粉末或絲材加熱熔化，從而粘結(jié)成型的過程，所以需要熱輸入將材料熔化，根據(jù)將材料熔化的熱源不同，3D打印技術(shù)可分為激光快速成型技術(shù)( Laser Ｒapid Prototyping，LＲP) 和電子束熔化成型技術(shù)( Electron BeamMelting，EBM) 兩大類( 表1) 。不同工藝條件下3D打印兩相鈦合金組織與性能受工藝參數(shù)、熱處理?xiàng)l件等多方面因素的影響，如高能束的功率、束徑大小、形狀以及掃描速度等工藝參數(shù)都在熱循環(huán)相變過程中發(fā)揮很大作用。
1. 1 激光快速成型兩相鈦合金研究現(xiàn)狀
激光快速成型技術(shù)興起于20 世紀(jì)70 年代末，美國(guó)最先將激光快速成型的鈦合金應(yīng)用到航空領(lǐng)域，隨后英國(guó)、瑞典、日本等國(guó)家也相繼開展了激光快速成型技術(shù)的研究［5］，并取得了不同程度的研究進(jìn)展。國(guó)內(nèi)的許多高校及研究機(jī)構(gòu)也對(duì)激光快速成型的組織、性能等方面進(jìn)行大量研究，并取得顯著研究成果。
1) 組織研究。
田象軍等［6］通過光學(xué)顯微鏡和X 射線衍射儀，分別分析了激光快速成型TC2 鈦合金的顯微組織和相組成，發(fā)現(xiàn)TC2 鈦合金在激光快速成型過程中，合金元素成分相對(duì)原材料粉末變化不明顯，而與傳統(tǒng)鍛造鈦合金組織相比，激光熔化沉積鈦合金TC2 具有獨(dú)特的組織特征，主要表現(xiàn)為β轉(zhuǎn)變組織細(xì)小，α片層厚度較小，α相形態(tài)多樣且
取向變化頻繁。
Thijs 等［7］研究了激光快速成型TC4 鈦合金沉積態(tài)的微觀組織，并通過改變掃描參數(shù)和掃描方式研究這兩個(gè)因素對(duì)微觀組織的影響，發(fā)現(xiàn)其沉積態(tài)的微觀組織主要為由針狀馬氏體，并且隨著掃描速度的增大或掃描間距的增加，能量密度降低，得到的組織細(xì)小。Brangl 等［8］對(duì)激光快速成型TC4 鈦合金在不同熱處理制度下顯微組織進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在超過β轉(zhuǎn)變溫度進(jìn)行熱處理，其微觀組織α相形態(tài)發(fā)生變化，原始的β柱狀晶結(jié)構(gòu)和層帶消失，取而代之的是初始等軸β晶，后經(jīng)未超過β轉(zhuǎn)變溫度下退火，組織形態(tài)不變。
張霜銀等［9］通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，觀察其對(duì)激光快速成型TC4 鈦合金組織的影響，發(fā)現(xiàn)激光功率和掃描速度對(duì)組織形態(tài)的影響是綜合性的，激光功率和掃描速度的比值增大到一定值后，會(huì)發(fā)生柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變，沉積方向上層間距過小會(huì)造成重熔深度過大而層間結(jié)合處組織粗大。
孫帆等［10］發(fā)現(xiàn)激光快速成型TC17 鈦合金其沉積態(tài)組織為典型的α+ β兩相組織，β基體上析出二次α相。孫曉敏等［11］則發(fā)現(xiàn)激光快速成型TC17 鈦合金具有定向外延生長(zhǎng)的“指節(jié)”狀β晶粒和少量等軸晶交替排列的沉積態(tài)凝固組織，其顯微組織是由不規(guī)則片狀初生α相和細(xì)小網(wǎng)籃狀β轉(zhuǎn)變組織組成的超細(xì)特殊雙態(tài)組織，激光
熔化沉積TC17 鈦合金構(gòu)件頂部由于熱循環(huán)固態(tài)相變歷史不同，不同沉積層其顯微組織也不盡一致。
針對(duì)激光快速成型TC21 鈦合金，昝林等［12］研究發(fā)現(xiàn)隨著激光功率的增大，原始β柱狀晶將粗化，網(wǎng)籃組織中片狀α亦將長(zhǎng)大。楊健等［13］針對(duì)激光快速成型TC21 鈦合金主要從其沉積態(tài)組織、雙重退火后組織展開了分析，熱處理前后宏觀組織未發(fā)生明顯變化，主要表現(xiàn)為沿沉積高度增加方向貫穿多個(gè)熔覆層柱狀晶，而顯微組織沉積態(tài)主要為α相集束組成的網(wǎng)籃組織，雙重退火后，α相略有粗化，在板條α間的β相中有細(xì)小的次生α相析出。黃勇勝等［14］則對(duì)激光快速成型TC21 鈦合金經(jīng)過去應(yīng)力退火、固溶時(shí)效熱處理后組織變化進(jìn)行研究，試驗(yàn)結(jié)果表明去應(yīng)力退火前后基本無變化，而固溶+ 時(shí)效熱處理后組織發(fā)生網(wǎng)籃化，并隨著固溶溫度的升高，網(wǎng)籃組織中的α片變寬，球狀α相的數(shù)量增多，晶界α相發(fā)生粗化。
激光快速成型兩相鈦合金在沉積方向具有穿過多個(gè)沉積層定向生長(zhǎng)的柱狀晶，局部區(qū)域會(huì)出現(xiàn)等軸晶。沉積態(tài)的微觀組織主要由針狀α' 相組成，經(jīng)過固溶+ 時(shí)效處理后，針狀α' 相轉(zhuǎn)變成桿狀的α相，呈網(wǎng)籃狀編織組織，而退火后組織無變化或變化較小。打印工藝參數(shù)調(diào)整，其組織也會(huì)發(fā)生一定程度的改變: 激光功率的增大，組織
粗化; 而掃描速率的增大或掃描間距的增加，能量密度降低，得到組織會(huì)更加細(xì)小; 激光功率和掃描速率的比值增大到一定值后，會(huì)發(fā)生柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變。
2) 性能研究。
Kobryn 等［15］發(fā)現(xiàn)激光快速成型TC4 鈦合金的多方面性能都與其微觀組織α相有關(guān)，而某些性能( 如疲勞) 受初生β相特征參數(shù)( 如晶粒尺寸、形態(tài)和晶體結(jié)構(gòu)) 的影響較大，而α相和β相的相關(guān)參數(shù)依次受凝固過程中的形核、合金的生長(zhǎng)特征及熱狀況所控制。Edwards 等［16］對(duì)比了激光快速成型鈦合金沉積態(tài)與普通鍛件的疲勞性能，試驗(yàn)結(jié)果表明激光快速成型TC4 鈦合金沉積態(tài)疲勞壽命比普通鍛件低約77%，疲勞強(qiáng)度低約80%。孫帆等［10］研究了沉積態(tài)TC17 鈦合金的性能，發(fā)現(xiàn)沉積態(tài)TC17 試樣的抗拉性能略高于固溶時(shí)效的盤模鍛件。楊健等［13］研究激光快速成型TC21 鈦合金沉積態(tài)和雙重退火態(tài)的室溫拉伸性能，結(jié)果顯示與鍛件實(shí)測(cè)值相比，此兩種狀態(tài)下激光快速成型件強(qiáng)度相當(dāng)，塑性略低，但均高于鍛件標(biāo)準(zhǔn)要求。
激光快速成型兩相鈦合金的室溫拉伸性能與鍛件相比，強(qiáng)度相當(dāng)，塑性略低，但疲勞性能比鍛件差，通過熱處理性能可以得到部分改善。
1. 2 電子束熔化成型兩相鈦合金研究現(xiàn)狀
相對(duì)于激光快速成型技術(shù)，電子束熔化成型技術(shù)的起步較晚，是2002 年由美國(guó)航空航天蘭利研究中心最早提出的。2004 年，美國(guó)Sciaky 公司推出了用于航空結(jié)構(gòu)件制造和修復(fù)的電子束熔絲快速成型設(shè)備，國(guó)內(nèi)中航工業(yè)北京航空制造工程研究所等研究機(jī)構(gòu)對(duì)此技術(shù)進(jìn)行了研究［17］。雖然發(fā)展時(shí)間較短，但電子束熔化成型鈦合金技術(shù)在關(guān)于組織和性能方面還是取得了較多的研究成果。
1) 組織研究。
王哲等［18］對(duì)電子束熔化成型TC4 鈦合金進(jìn)行組織研究，得出其微觀組織以片層α相為主，片層α之間有少量β相，α相的厚度隨沉積高度增加而增大，一定程度后逐漸趨于穩(wěn)定。針對(duì)電子束熔化成型TC4 鈦合金，Lv 等［19］研究了電子束熔化成型TC4 鈦合金固溶熱處理對(duì)其組織的影響，發(fā)現(xiàn)固溶熱處理前后組織的主要變化特征
為片層的α相發(fā)生了拉長(zhǎng)、彎曲、扭結(jié)和旋轉(zhuǎn)，熱處理過程中片層α相的比例進(jìn)一步減少，并且隨著熱處理時(shí)間的增加，片層α相形態(tài)和球化量會(huì)產(chǎn)生變化。楊光等［20］ 對(duì)多次電子束堆積成型TC18 合金的組織特征進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)沉積態(tài)主要為α針狀組織，沉積層β柱狀晶呈外延生長(zhǎng)趨勢(shì)，在沉積體心部豎直向上生長(zhǎng)，在沉積體邊緣主軸則向心部?jī)A斜。
電子束熔化成型兩相鈦合金沉積方向宏觀組織為穿過多個(gè)沉積層定向生長(zhǎng)的柱狀晶，局部位置有等軸晶。沉積態(tài)微觀組織主要為由針狀馬氏體α'相組成，固溶熱處理后，片層α相形態(tài)發(fā)生明顯變化。
2) 性能研究。
王哲等［18］則對(duì)電子束熔化成型的TC4 鈦合金室溫拉伸性能進(jìn)行分析，得出與鍛件相比，TC4鈦合金沉積態(tài)強(qiáng)度更高。婁軍等［21］則研究了電子束熔化成型TC18 鈦合金熱處理工藝對(duì)室溫拉伸性能影響，隨著固溶溫度的升高，快速成形樣品沿柱狀晶方向抗拉強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)，塑性呈下降趨勢(shì); 隨著時(shí)效溫度的升高，沿柱狀晶方向強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，而塑性呈上升趨勢(shì)。蔡雨升等［22］分析了電子束熔化成型TCl8 合金的顯微組織與硬度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)不同退火條件下，低溫α相析出的增加則會(huì)使材料硬度提高。黃志濤等［23］對(duì)電子束熔化成型TC18 鈦合金熱處理工藝對(duì)顯微硬度影響作了研究，試驗(yàn)結(jié)果表明隨著固溶溫度的升高，試樣的顯微硬度值增大; 相同固溶條件下，隨著時(shí)效溫度的升高，β轉(zhuǎn)變組織中次生α相片層寬度明顯增大，對(duì)應(yīng)的顯微硬度值降低。
電子束熔化成型兩相鈦合金沉積態(tài)強(qiáng)度比鍛件高。經(jīng)過不同熱處理，鈦合金強(qiáng)度和塑性均會(huì)發(fā)生改變，隨著固溶溫度的升高，呈現(xiàn)強(qiáng)度上升塑性下降硬度增大趨勢(shì)，隨著時(shí)效溫度的升高，呈現(xiàn)強(qiáng)度下降塑性上升硬度下降趨勢(shì)。
2、分析與討論
2. 1 工藝差異性分析
激光快速成型技術(shù)與電子束熔化成型技術(shù)作為3D打印技術(shù)最常規(guī)的方法，兩者各有優(yōu)缺點(diǎn):
1) 工序上，激光束式不實(shí)施預(yù)熱，電子束式實(shí)施預(yù)熱，由此，殘余應(yīng)力的大小和造型物以外的粉末狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化，造型后的工序各有利弊，不實(shí)施預(yù)熱的激光束式的溫差會(huì)變大，導(dǎo)致殘余應(yīng)力升高［24］，造型品需要承受這種殘余應(yīng)力;
2) 熱效應(yīng)上，由于電子束對(duì)金屬的熱效應(yīng)深度比較大，而激光熱效應(yīng)深度較小［25］，激光成型時(shí)坯體受熱和散熱均優(yōu)于電子束，因此，能形成很薄的熔化區(qū)和更細(xì)密均勻的沉積制造，凝固過程中的金相結(jié)構(gòu)更容易控制，熱應(yīng)力復(fù)雜程度更低;
3) 材料反射率上，電子束作為熱源時(shí)，金屬材料對(duì)其幾乎沒有反射，多以能量吸收率大幅提高，在真空環(huán)境下，材料熔化后的潤(rùn)濕性也大大提高［26］，增加了熔池之
間、層與層之間的冶金結(jié)合強(qiáng)度; 而激光能量對(duì)金屬材料的反射率較電子束高，尤其是Al、Ti等［27］，并且Al 的熔化潛熱很高，不易熔化，所以需要足夠的能量密度才能產(chǎn)生熔池，而且熔池一旦形成，液態(tài)金屬對(duì)激光的反射率迅速降低，從而使熔池溫度急劇升高，導(dǎo)致Al 的氣化及化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，因而能量密度又不能過高，工藝參數(shù)比較難控制;
4) 效率上，電子束的最大功率是激光的數(shù)倍，其連續(xù)熱源功率密度要比激光高［28］，電子束在平面作二維掃描運(yùn)動(dòng)是通過改變磁偏轉(zhuǎn)線圈電流來實(shí)現(xiàn)的［29］，而激光必須通過轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡或依靠數(shù)控工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。
2. 2 不同工藝條件下組織分析
激光快速成型兩相鈦合金和電子束熔化成型兩相鈦合金的顯微組織與熱的分布及溫度梯度相關(guān)，不同工藝過程形成的宏微觀組織具有很大的相似性:
1) 3D打印兩相鈦合金沉積方向的宏觀組織主要為定向生長(zhǎng)的原始β柱狀晶，由于沿Z 軸方向的溫度梯度最大，固－ 液界面趨近于平滑界面，此時(shí)各個(gè)晶粒將沿著熱流的反方向平行推進(jìn)，
最后得到定向生長(zhǎng)的柱狀晶，局部區(qū)域存在等軸晶;
2) 沉積態(tài)的微觀組織一般主要為針狀α'相和片層的α相，經(jīng)過固溶+ 時(shí)效熱處理后α形態(tài)發(fā)生改變，針狀α'相轉(zhuǎn)變成了桿狀α相，一般呈現(xiàn)為編織狀分布的網(wǎng)籃組織;
3) 組織可以通過熱處理來改變，但其本身主要受工藝參數(shù)的影響，如高能束的功率、掃描速率、搭接率和Z 軸單道行程等都會(huì)不同程度低影響α相的形態(tài)和分布。
電子束目前所能達(dá)到的功率遠(yuǎn)比激光大，所以一般情況下采用電子束設(shè)備制造兩相鈦合金時(shí)，其功率比激光高，且電子束的焦點(diǎn)較細(xì)，因此形成的熔池較大較深，宏觀組織的層帶、道間距更寬，而微觀組織通常更細(xì)小。
2. 3 不同工藝條件下性能分析
激光快速成型兩相鈦合金和電子束成型兩相鈦合金在性能方面的共性體現(xiàn)在:
1) 與鍛件相比，3D打印兩相鈦合金沉積態(tài)和熱處理態(tài)室溫拉伸性能強(qiáng)度指標(biāo)不僅能達(dá)到鍛件的水平，甚至能夠超過，但其疲勞性能較差;
2) 熱處理對(duì)3D打印兩相鈦合金性能產(chǎn)生一定影響，經(jīng)過不同熱處理，鈦合金強(qiáng)度和塑性均會(huì)發(fā)生改變，隨著固溶溫度的升高，呈現(xiàn)強(qiáng)度上升塑性下降硬度增大趨勢(shì)，隨著時(shí)效溫度的升高，呈現(xiàn)強(qiáng)度下降塑性上升硬度下降趨勢(shì)。
激光快速成型和電子束成型工藝可控參數(shù)多，如何科學(xué)地定性、定量評(píng)價(jià)兩種工藝差別，還需加強(qiáng)研究。
3、結(jié)束語
通過對(duì)3D打印兩相鈦合金組織、性能研究結(jié)果的分析，可以得出組織、性能特點(diǎn)及規(guī)律:
1) 組織上，3D打印兩相鈦合金沉積方向的宏觀組織主要為定向生長(zhǎng)的原始β柱狀晶，局部區(qū)域存在等軸晶; 沉積態(tài)的微觀組織一般為針狀α'相和片層的α相，經(jīng)過固溶+ 時(shí)效熱處理后α形態(tài)發(fā)生改變; 組織可以通過熱處理來改變，但其本身主要受工藝參數(shù)的影響，如高能束的功率、掃描速率、搭接率和Z 軸單道行程等都會(huì)不同程度地影響α相的形態(tài)和分布。
2) 性能上，與鍛件相比，3D打印兩相鈦合金沉積態(tài)和熱處理態(tài)室溫拉伸性能強(qiáng)度指標(biāo)可以達(dá)到鍛件的水平，但其疲勞性能較差; 熱處理對(duì)3D打印兩相鈦合金性能產(chǎn)生一定影響，經(jīng)過不同熱處理，鈦合金強(qiáng)度和塑性均會(huì)發(fā)生改變，隨著固溶溫度的升高，呈現(xiàn)強(qiáng)度上升塑性下降硬度增大趨勢(shì)，隨著時(shí)效溫度的升高，呈現(xiàn)強(qiáng)度下降塑性上升
硬度下降趨勢(shì)。
3) 未來在3D兩相鈦合金領(lǐng)域還需要在細(xì)化組織、疲勞性能改善、界面損傷變形等方面進(jìn)一步研究。
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