王普強，吳夢杰，王豫躍，解瑞東，張安峰

（1. 西安交通大學(xué)金屬材料強度國家重點實驗室，西安 710049； 2. 西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室，西安 710054； 3. 西安理工大學(xué)機械與精密儀器工程學(xué)院，西安 710048）

Ti–6Al–4V（TC4）鈦合金由于擁有優(yōu)異的耐腐蝕性能，而且比強度和屈強比較高[1]，目前被廣泛應(yīng)用于航空航天、航海與生物醫(yī)療[2–4]等行業(yè)。但是對于形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件，傳統(tǒng)加工工藝繁瑣復(fù)雜，使得材料利用率低、制造成本很高。而經(jīng)濟性好、制造周期短和性能優(yōu)越是未來TC4合金零件制造行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，采用激光增材制造（Laser Additive Manufacturing，LAM）TC4合金構(gòu)件兼具成本低、周期短、性能高等優(yōu)勢[5]。然而，由于LAM過程中快速加熱冷卻的特點，使得LAM TC4合金沉積態(tài)組織與傳統(tǒng)TC4合金鑄鍛件組織在尺度、形態(tài)和分布等方面都有較大區(qū)別[6]。傳統(tǒng)TC4鈦合金組織形態(tài)主要包括魏氏組織、網(wǎng)籃組織、雙態(tài)組織、等軸組織，以及Zhou等[7]通過近β鍛造發(fā)展起來的三態(tài)組織，不同組織形態(tài)、不同相的比例及分布對于合金力學(xué)性能有很大影響。而LAMTC4合金顯微組織主要由貫穿整個熔覆層的粗大β柱狀晶以及晶界的初生α板條組成，柱狀晶內(nèi)亞顯微組織組成比較復(fù)雜，受加工參數(shù)影響較大，一般為針狀α'馬氏體、α魏氏組織等。通過對LAM TC4合金零件進行合理的熱處理從而優(yōu)化其組織結(jié)構(gòu)，是目前提升LAM TC4合金力學(xué)性能的有效手段。根據(jù)加熱溫度，TC4合金的熱處理通常分為兩類。當(dāng)加熱溫度高于Tβ（α→β轉(zhuǎn)變溫度，約995℃）[8]時的熱處理稱為超臨界熱處理，在低于Tβ的溫度下進行的熱處理稱為亞臨界熱處理[9]。國內(nèi)外研究學(xué)者相繼對此展開了諸多研究。本文通過分析國內(nèi)外近年來LAM TC4合金熱處理工藝的最新研究成果，以期能夠為LAM TC4合金熱處理工藝的進一步優(yōu)化，獲得具備更加優(yōu)異綜合力學(xué)性能的LAM TC4合金提供借鑒。

金屬LAM技術(shù)原理及 特點

目前金屬LAM技術(shù)主要包括以同步送粉為特點的激光熔覆沉積（Laser Cladding Deposition，LCD）技術(shù)以及以粉床鋪粉為特點的選區(qū)激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）技術(shù)[10]。由于TC4合金在高溫下極易氧化，因此整個制造過程需在真空環(huán)境或干燥惰性氬氣氛保護下完成。

1 LCD技術(shù)

LCD 技術(shù)結(jié)合了增材制造技術(shù)中“疊層累加”沉積原理和激光熔覆技術(shù)，通過分層軟件將建立的CAD三維數(shù)據(jù)模型離散為一組二維圖形，即分層切片，通過編程形成加工路徑以控制激光頭掃描路徑[11]。同時以高能激光束作為熱源，送粉器將金屬粉末經(jīng)同軸送粉噴嘴同步送進，從而將同步送給的金屬粉末進行逐層熔化、快速凝固、逐層沉積，最終獲得近凈成形三維實體零件。

LCD 技術(shù)的突出優(yōu)點是不受零件成形尺寸限制，可實現(xiàn)大尺寸零件一體化直接制造；可對失效和受損零件實現(xiàn)快速修復(fù)，并可實現(xiàn)定向組織的修復(fù)與制造。但是成本較高，效率低下，制造精度相對較低[10,12]。

2 SLM技術(shù)

SLM技術(shù)同樣要進行建模分層，編程形成加工路徑以控制激光頭掃描路徑。同時在高能激光束的輻照下，選擇性地熔化鋪粉層的金屬粉末形成熔池，然后快速凝固。當(dāng)前鋪粉層掃描完成后，將基臺降低與層厚度相等的量，并用刮刀鋪上一層新的粉末，層層疊加，從而實現(xiàn)零件一體化成形[3]。

SLM成形零件精度及粉末利用率較高，但是成形零件尺寸受到基臺和工作箱尺寸的限制，不適合成形大尺寸零件，也不適合對失效零件進行修復(fù)[10]。

不同熱處理工藝下LAM TC4鈦合金組織與性能 國內(nèi)外研究進展

1 國外研究進展

ALi等[13]發(fā)現(xiàn)將打印基板預(yù)熱到570oC能顯著降低SLM TC4合金構(gòu)件內(nèi)部的殘余應(yīng)力，提升屈服強度和塑性。在該溫度下，打印過程中α'馬氏體組織直接分解成平衡α+β微觀組織,與基板未預(yù)熱狀態(tài)下打印相比，屈服強度和伸長率分別提高了3.2%和66.2%。

Sabban等[14]采用氬氣氛保護重復(fù)熱循環(huán)處理工藝，熱處理溫度Ta接近但低于Tβ，使得α相球化，最終獲得由球化α相與β轉(zhuǎn)變基體中的片層α相組成的雙態(tài)組織，實現(xiàn)了不需要借助塑性變形[15]，單純通過熱處理使得板條組織球化，從而將SLM TC4合金的伸長率和韌性分別提高了80%和66%，產(chǎn)生雙態(tài)組織的詳細(xì)熱處理工藝1（Heat Treatment 1，HT1）：在875～975℃之間的熱循環(huán)，加熱速率為2.5℃/min，冷卻速率為1℃/min，持續(xù)24h，然后空冷（Air Cooling，AC），如圖1所示[14]。相關(guān)力學(xué)性能指標(biāo)如表1所示[14]。

試驗分別采取了平行于激光掃描方向的水平方向H和垂直于激光掃描方向的垂直方向V兩種取樣方式，試樣拉伸方向與取樣方向一致，以評估打印方向?qū)αW(xué)性能的影響。該研究團隊同時研究了在熱處理后α相球化機理。在熱循環(huán)過程中由于冷速較慢，α相和β相的體積分?jǐn)?shù)振蕩與α相外延生長協(xié)同作用導(dǎo)致α相球化。而晶界分裂無法實現(xiàn)α相完全球化，邊緣球化并非α相球化的原因[15]。

圖1 熱處理工藝1Fig.1 Heat treatment 1

龍老虎等[16]通過總結(jié)試驗規(guī)律發(fā)現(xiàn)，材料屈強比在0.80～0.85范圍內(nèi)，材料的綜合力學(xué)性能會比較好，有利于提高材料的韌性和低周疲勞性能。文獻[14]通過使α片層球化所獲得的雙態(tài)組織TC4合金屈強比比較符合0.80～0.85范圍，因而其綜合力學(xué)性能較好，可以預(yù)測其低周疲勞性能也應(yīng)該較為理想。

Kumar等[17]實現(xiàn)了在不顯著降低拉伸強度的情況下，單獨通過退火熱處理工藝來提高SLM TC4合金斷裂韌性和疲勞裂紋擴展抗力的可能性。圖2所示為分別采用氬氣氛保護單步冷卻（HT1，HT3）與兩步冷卻（HT2，HT4）熱處理工藝，研究了在4種不同SLM參數(shù)下SLM TC4合金力學(xué)性能的變化。研究表明，將SLM TC4沉積態(tài)試樣在實際加熱溫度Ta＞Tβ的條件下（HT3和HT4）進行退火，可以完全消除原始β柱狀晶微觀結(jié)構(gòu)，但會導(dǎo)致粗大等軸β晶的出現(xiàn)。對于SLM TC4沉積態(tài)合金，屈服強度可超過1000MPa，且I型斷裂韌性（KIc）在50 MPa·m?左右。而采用Ta

在熱處理后，試樣的拉伸行為和穩(wěn)態(tài)疲勞裂紋擴展行為與原始β微觀結(jié)構(gòu)無關(guān)，而斷裂韌性與之相關(guān)，合金的強度趨于各向同性。但是熱處理后仍然存在原始β柱狀晶結(jié)構(gòu)的合金，其斷裂韌性具有明顯的各向異性，而穩(wěn)態(tài)疲勞裂紋擴展速率（Fatigue Crack Growth，F(xiàn)CG）與傳統(tǒng)方法制造的同種合金的FCG相當(dāng)。疲勞裂紋擴展門檻值△K0有所提升，這是由于網(wǎng)籃組織的產(chǎn)生導(dǎo)致在△K0值附近時裂紋擴展由穿晶轉(zhuǎn)變?yōu)檠鼐В瑥亩a(chǎn)生了較高的裂紋擴展路徑曲折度。

圖2 4種不同熱處理工藝Fig.2 Four different heat treatment processes

表1 SLM TC4沉積態(tài)和進行HT1熱處理后試樣的拉伸性能Table 1 Tensile properties of SLM TC4 samples before and after HT1

表2 經(jīng)過HT2熱處理后SLM TC4合金試樣的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of SLM TC4 samples after HT2

Vrancken等[8]研究發(fā)現(xiàn)，在真空（10–2Pa）條件下分別進行780℃/2h/爐冷（Furnace Cooling，F(xiàn)C）和843℃/2h/FC兩種熱處理后，α'馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)槠瑢应?β組織，但保持原始β柱狀晶微觀結(jié)構(gòu)特征。熱處理溫度越高，α相粗化越明顯，β相體積分?jǐn)?shù)越高，越多的β柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶粒。試驗表明，熱處理溫度對微觀組織的影響最大。同時研究了940℃/1h/FC+650℃/2h/AC和940℃/2～20h/FC兩種熱處理工藝，發(fā)現(xiàn)在α+β高溫區(qū)保溫時間的影響更顯著，α晶粒尺寸受到β晶粒尺寸的限制，該試驗表明在940℃/1h/FC+650℃/2h/AC工藝下試樣綜合力學(xué)性能最好。隨后又研究了在850℃保溫2h，分別進行了FC、AC和WC，依次得到α+β片層組織、α魏氏組織或網(wǎng)籃組織以及α'馬氏體組織。并且片層間距隨冷卻速率的增大而減小。說明通過控制冷卻速率可以得到不同的微觀組織形態(tài)。

Longhitano等[18]對SLM TC4合金試樣進行氬氣保護熱處理，發(fā)現(xiàn)在850℃/1h/FC、950℃/1h/FC兩種熱處理工藝下，微觀結(jié)構(gòu)由針狀α/α'相和圍繞在α相周圍的β相組成。在較高溫度下（＜Tβ）進行的熱處理因為V的偏析使α相周圍形成β相。此外，在950℃/1h/FC工藝下，由于加熱溫度較高，導(dǎo)致組織結(jié)構(gòu)發(fā)生粗化。而在超過Tβ的1050℃/1h/FC工藝下，獲得單一β相，原始β柱狀晶微觀結(jié)構(gòu)特征消失，形成粗大β晶，冷卻后獲得粗化α+β片層組織，研究發(fā)現(xiàn)，緩慢的冷卻速率有利于α相的形核，α相優(yōu)先在β相界處生長。冷卻后，β相存在于α板條之間。

Yan等[19]研究了在真空（低于10–3Pa）條件下進行不同的熱處理以及熱等靜壓（Hot Isostatic Pressing，HIP）后SLM TC4–ELI試樣的顯微組織和力學(xué)性能變化。研究對比了沉積態(tài)以及在HIP和900℃/2h/FC工藝3種狀態(tài)下試樣的疲勞性能后發(fā)現(xiàn)，沉積態(tài)試樣表現(xiàn)出最低的疲勞強度；而在900℃/2h/FC工藝下，試樣在107循環(huán)周次下的疲勞強度較之于沉積態(tài)提高超過40MPa；HIP處理后試樣疲勞強度的提升最顯著，如圖3所示[19]。HIP處理后疲勞行為的改善可能歸因于孔隙被壓實，并且α'的分解可以提升伸長率，同時使試樣具有更好的應(yīng)變硬化能力，而試樣應(yīng)變硬化能力的改善有利于限制缺陷附近的裂紋形核。作者認(rèn)為在低周疲勞體系中，延展性比固有缺陷對低周疲勞行為影響更大。而在高循環(huán)周次下微觀結(jié)構(gòu)對殘余孔隙等缺陷更敏感。對應(yīng)熱處理工藝下的力學(xué)性能參數(shù)如表3所示[19]。

圖3 不同狀態(tài)下的SLM TC4合金試樣的S–N曲線Fig.3 S-N curves of SLM TC4 samples for different conditions

表3 不同狀態(tài)下的SLM TC4合金試樣的拉伸性能Table 3 Tensile properties of SLM TC4 samples for different conditions

Vilaro等[21]在真空（1.33×10–3Pa）條件下對SLM TC4 合金分別進行了730℃/2h/AC低溫?zé)崽幚砗透邷責(zé)崽幚恚òǜ邷毓倘芴幚硪约案邷毓倘?回火處理）。并通過分別測試V和H兩個取樣方向的力學(xué)性能，來評估加工過程中產(chǎn)生的各向異性。研究發(fā)現(xiàn)，在低溫?zé)崽幚項l件下，觀察到α'馬氏體分解為α+β相，硬度降低，伸長率略微增加，但各向異性仍然較大。而超臨界高溫?zé)崽幚砗?，強度降至與鑄件相近，伸長率提升最大，但仍低于10%，同時各向異性大幅降低。作者認(rèn)為熱處理后伸長率較低是由于試樣內(nèi)部存在缺陷導(dǎo)致。在1050℃/1h/WC+（700～750℃）/2h/AC熱處理條件下，顯微組織由α'+β+α相組成。在1050℃/1h/WC+（750～850℃）/2h/AC熱處理條件下，生成較軟的α''斜方馬氏體相；而在1050℃/1h/WC+（＞850℃）/2h/AC條件下，形成α'+βr（貧礬β相） +α相，導(dǎo)致硬度升高。

Nicoletto等[22]在真空條件下將4組SLM TC4合金試樣分別在740℃、900℃、1200℃保溫1h以上，在大于1h時間里爐冷至530℃，然后在氬氣氛中冷至室溫，以及在740℃保溫大于1h后在氬氣氛中冷至室溫，發(fā)現(xiàn)在900℃下抗拉強度在1000MPa以上，伸長率最大，超過16%，并且低周疲勞性能在4種熱處理方法中最好；1200℃溫度下抗拉強度與伸長率最低，但高周疲勞性能最好，而在740℃保溫完成后直接在氬氣氛中冷卻試樣疲勞性能最差。

2 國內(nèi)研究進展

Zhao等[23]對LCD TC4合金進行氬氣氛保護980℃/1h/FC+920℃/1h/AC +600℃/4h/AC的亞臨界三重?zé)崽幚恚⊿ubcritical Triple Heat Treatment，STHT），如圖4所示[23]，實現(xiàn)了LCD TC4–ELI（Extra Low Interstitial TC4）合金的優(yōu)異延展性，并研究了該合金中α片層球化機理。

試驗測得沉積態(tài)試樣的屈服強度、抗拉強度和伸長率分別為855.6MPa、932.3MPa和12.5%。通過對沉積態(tài)試樣采用STHT，屈服強度和抗拉強度略微降低至829.3MPa和905.8MPa。然而，伸長率大大提高到25.1%，與沉積態(tài)試樣相比伸長率提升了105%。在二次等軸αe相中連續(xù)出現(xiàn)的位錯滑移和剪切變形被證明可以顯著提高合金伸長率。超細(xì)的二次αs片層和等軸αe相中的位錯纏結(jié)是產(chǎn)生可觀屈服強度的主要原因。研究發(fā)現(xiàn)，α片層的球化機制是由于固有位錯在亞臨界退火時多邊形化形成亞晶界而導(dǎo)致的。

Tao等[24]研究發(fā)現(xiàn)在真空（1×10–3Pa）條件下對SLM TC4試樣采用800～900℃/2～4h/FC熱處理工藝，然后在920℃/100MPa條件下進行HIP處理2h后α'馬氏體會轉(zhuǎn)化為α+β片層組織，材料力學(xué)性能存在的各向異性可能會被消除。在800℃/2h/FC工藝下，屈服強度和抗拉強度均略有下降，但與采用去應(yīng)力退火的試樣相比,伸長率明顯增加。伸長率增加是由于馬氏體完全分解成細(xì)小的α+β平衡相。另外，熱處理溫度相對較低，因此顯微組織的粗化不明顯。當(dāng)在800℃/4h/FC工藝下，屈服強度降幅不明顯，但總伸長率增幅較大。此時伸長率增加可歸因于長時間退火后合金元素再分布。研究發(fā)現(xiàn)，即使在HIP處理后，成形件表面的損傷也會導(dǎo)致伸長率急劇下降。SLM TC4合金試樣不同處理狀態(tài)下拉伸性能各向異性見表4[24]（Dr表示拉伸性能的差異比）。

圖4 三重?zé)崽幚砉に嘑ig.4 Triple heat treatment process

表4 不同狀態(tài)下的SLM TC4合金試樣拉伸性能的各向異性Table 4 Anisotropy of tensile properties of SLM TC4 samples for different conditions %

Zhang等[25]發(fā)現(xiàn)在氬氣氛環(huán)境下，當(dāng)加熱溫度升至950℃時，SLMTC4合金組織中的板條長寬比進一步下降，并且微觀結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出球化的趨勢。部分α板條的球化程度不斷增加，形態(tài)各向異性消失。因此，研究認(rèn)為可以利用低于Tβ的高溫亞臨界退火處理來減少LAM期間引發(fā)的微觀結(jié)構(gòu)各向異性。但是這種減少各向異性的效果僅對于遠小于α相域尺度的結(jié)構(gòu)特征是顯著的，而其他幾何特征等于或大于原始β柱狀晶尺度的微觀結(jié)構(gòu)各向異性則大部分被保留了下來。在850℃/2h/FC或900℃/2h/FC熱處理后獲得屈服強度、極限抗壓強度和伸長率的最佳匹配。

Fan等[26]研究發(fā)現(xiàn)，SLM TC4合金試樣經(jīng)真空950℃/1h/AC + 540℃/4h/AC工藝處理后，微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)籃組織，抗拉強度和屈服強度分別為1206MPa和1122MPa，伸長率達到13.42%。而在真空950℃/1h/FC工藝下，組織中的一些α相球化，另一部分仍具有網(wǎng)籃結(jié)構(gòu)特性，微觀結(jié)構(gòu)變?yōu)殡p態(tài)組織。試樣的強度略有增加，但伸長率降低至2.42%，明顯低于沉積態(tài)。圖5[26]顯示了經(jīng)過不同熱處理的TC4合金的金相顯微組織。對于沉積態(tài)TC4合金，金相組織是以針狀α'馬氏體為主的魏氏組織。研究認(rèn)為，魏氏組織的塑性和沖擊韌性較差，但抗蠕變性能較好；網(wǎng)籃組織的塑性、沖擊韌性和高溫蠕變性能較好，雙態(tài)組織強度較高，塑性較差。

李文賢等[27]研究了7種不同的氬氣氛保護熱處理工藝對于SLM TC4合金組織性能的影響。發(fā)現(xiàn)在800℃/2h/FC工藝下進行熱處理后由于在高溫保溫時間較短，因此所獲得的組織較細(xì)，并且冷卻速率較慢，組織主要由α+β平衡相組成，因此伸長率達到20.5%。不同熱處理工藝下試樣相應(yīng)的力學(xué)性能指標(biāo)如圖6所示[27]。

Wu等[28]對SLM TC4合金在300～1020℃進行氬氣氛保護熱處理后水冷，并總結(jié)了顯微組織形態(tài)隨熱處理溫度變化的4個階段：當(dāng)加熱溫度低于600℃時，原始的針狀形態(tài)僅少部分分解，沉積態(tài)和熱處理后的試樣顯微組織沒有明顯差別；當(dāng)在750～900℃時，原始的針狀α'馬氏體明顯地分解成α片層和周圍的β相；在900～990℃，之前占主要部分的α'相在920℃時明顯轉(zhuǎn)變成為穿晶α+β片層，而且片層長寬比隨溫度增加而不斷減??；超過Tβ后，α相體積分?jǐn)?shù)不斷降低，馬氏體體積分?jǐn)?shù)不斷增加，細(xì)長的原始β柱狀晶徹底轉(zhuǎn)變成為粗大的等軸β晶，水冷后晶粒內(nèi)部為新形成的馬氏體。馬氏體由原始的集束狀轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)籃狀。

圖5 不同狀態(tài)下的SLM TC4合金試樣的微觀結(jié)構(gòu)Fig.5 Microstructure of SLM TC4 samples for different conditions

圖6 不同狀態(tài)下的SLM TC4合金試樣拉伸性能Fig.6 Tensile properties of SLM TC4 samples for different conditions

Huang等[29]對SLM TC4 合金分別進行氬氣氛保護亞臨界熱處理，超臨界固溶熱處理以及超臨界固溶+亞臨界混合熱處理3類熱處理手段。研究發(fā)現(xiàn)，在不改變原始柱狀β晶形態(tài)的情況下，亞臨界熱處理導(dǎo)致網(wǎng)籃組織的產(chǎn)生。超臨界固溶處理產(chǎn)生片層狀結(jié)構(gòu)和等軸β晶粒。混合熱處理獲得了結(jié)合亞臨界熱處理和超臨界固溶熱處理兩種特征的顯微組織結(jié)構(gòu)。對應(yīng)熱處理工藝下合金相關(guān)力學(xué)性能參數(shù)如表5所示[29]?？梢钥闯?，在3類熱處理手段中，亞臨界熱處理能夠獲得很好的強塑性匹配，800℃/2h/AC熱處理工藝效果最佳。

Cao等[30]通過控制熱處理溫度和保溫時間來控制SLM TC4合金中α'馬氏體的分解程度，進而探究α'馬氏體分解對于SLM TC4合金試樣拉伸性能的影響。研究分別制定了4種真空熱處理工藝，冷卻方式均為爐冷。當(dāng)熱處理溫度為800℃且保溫時間在6h以上時，α'馬氏體完全分解，隨著熱處理溫度的升高，α片層的寬度在增加，同時β相體積分?jǐn)?shù)也在增加。如圖7所示[30]，在800℃時進行退火熱處理使得塑性與強度匹配較好。在800℃/6h/FC和800℃/12h/FC兩種熱處理工藝下，試樣的伸長率增加至18%以上，相對于800℃/2h/FC熱處理工藝，試樣的屈服強度僅下降2%，抗拉強度仍在1000MPa以上，下降幅度較小。

Liang等[31]研究了5種不同的氬氣氛保護熱處理方法對SLM TC4合金的組織和力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，隨著熱處理溫度的升高，α'相逐漸分解成為片層α+β組織，在800℃/4h/AC熱處理工藝下基本完全分解；而在950℃/2h/WC+540℃/4h/AC工藝下，由于水冷而形成了相較于沉積態(tài)α'相稍微粗化的新α'相。從圖8[31]可以看出，當(dāng)熱處理溫度在800℃以及850℃時試樣的伸長率超過了12%，而抗拉強度也超過1000MPa；綜合力學(xué)性能較好。

Yu等[32]發(fā)現(xiàn)采用氬氣氛保護下 的920℃/2h/FC（HT–920）以及850℃/2h/WC+550℃/4h/AC（HT–850–550）兩種熱處理工藝均會導(dǎo)致 SLM TC4 合金內(nèi)α片層發(fā)生不同程度的粗化。隨著熱處理溫度從850℃升高到920℃，試樣冷卻后α/α'晶寬度逐漸增加。進行HIP處理后試樣綜合力學(xué)性能在3種熱處理中最好。從圖9[32]中可以發(fā)現(xiàn)，和沉積態(tài)試樣相比，3種熱處理方式均使得試樣的抗拉強度和屈服強度降低，但伸長率超過了鍛造退火態(tài)試樣。圖10[32]表明熱處理后試樣的高周疲勞強度明顯提高，HIP處理后試樣的疲勞性能改善最顯著，可與鍛造退火態(tài)試樣媲美。

討論

隨著LAM技術(shù)的日益成熟以及LAM TC4合金突出的優(yōu)勢，LAM TC4合金的加工工藝參數(shù)也在不斷被優(yōu)化與豐富。本文通過對國內(nèi)外文獻進行研究分析總結(jié)如下：

圖7 不同狀態(tài)下的H方向取樣SLM TC4 合金試樣的拉伸性能Fig.7 Tensile properties of SLM TC4 samples H direction for different conditions

表5 不同狀態(tài)下的SLM TC4 合金試樣的力學(xué)性能Table 5 Mechanical properties of SLM TC4 samples for different conditions

（1） 影響沉積態(tài)LAM TC4合金原始組織性能的LAM工藝參數(shù)主要包括激光能量密度、掃描速度、搭接率、層厚及層間角度等。在其他參數(shù)相同的情況下，激光能量密度較高時，在LAM過程中熱積累更加顯著，導(dǎo)致冷卻速率降低，無法形成馬氏體，轉(zhuǎn)而形成粗化的魏氏α集束組織，使得沉積態(tài)試樣強度降低，塑性有所提升；隨著LAM過程中冷卻速率的增加，微觀組織由粗化魏氏α集束向網(wǎng)籃組織轉(zhuǎn)變，網(wǎng)籃組織塑性較魏氏組織稍好，但韌性稍差，強度適中，各向異性較??；隨著冷卻速率進一步增加，形成針狀馬氏體組織，其塑性差，強度高；當(dāng)激光能量密度足夠高，會形成等軸晶組織，其塑性好，但強度低，各向異性最小。

（2）通過對比LCD與SLM兩種LAM技術(shù)發(fā)現(xiàn)，一般SLM所用激光功率較小，但能量密度較高，同時鋪粉厚度也較小，在增材制造過程中合金內(nèi)部冷卻速率很快，導(dǎo)致馬氏體組織的形成；而LCD技術(shù)所用激光功率一般較大，并且可調(diào)節(jié)范圍大，同時成形尺寸不受限，因此可以通過合理的控制工藝參數(shù)如冷卻速率等來獲得不同的組織。

（3）對于內(nèi)部以針狀馬氏體為主的LAM TC4沉積態(tài)試樣，在退火條件下，當(dāng)Ta>Tβ并保溫一定時間后，β柱狀晶結(jié)構(gòu)消失，隨著保溫時間的增加，晶粒等軸化程度不斷增加并且不斷粗化，冷卻至室溫后，強度大幅降低，塑性有較大提升；而當(dāng)Ta

圖8 沉積態(tài)(AF)、退火態(tài)(AT) 和固溶時效(QAT) 試樣的力學(xué)性能Fig.8 Mechanical properties of as-fabricated (AF) samples, annealing-treated (AT) samples and quenching-aging-treated (QAT) samples

圖9 不同狀態(tài)下的SLM TC4合金試樣的拉伸性能Fig.9 Tensile properties of SLM TC4 samples for different conditions

圖10 不同狀態(tài)下的SLM TC4合金試樣的疲勞性能Fig.10 Fatigue performances of SLM TC4 samples for different conditions

（4） 一般加熱溫度在900℃～Tβ范圍被用來進行固溶處理，為后面的時效處理做準(zhǔn)備，在該溫度段內(nèi)，隨著固溶溫度的升高，更多的α相轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪?，冷卻后形成新的粗化馬氏體，在時效之后,α+β片層層間距減小，α板條長度增加，導(dǎo)致位錯滑移程增加，同時β轉(zhuǎn)變基體當(dāng)中析出細(xì)小的二次α相，組織從α+β片層向網(wǎng)籃組織再到粗化魏氏α集束組織轉(zhuǎn)變，強度不斷增加，塑性大幅下降。根據(jù)已有研究，選擇920℃進行固溶，時效后可以獲得較好的強塑性匹配，此時合金強塑性匹配較好，各向異性也較小，目前已有研究人員通過將退火與固溶時效結(jié)合起來，獲得了很好的強塑性匹配。

（5） 熱等靜壓后的組織一般為α+β片層組織或網(wǎng)籃組織，同時由于合金內(nèi)部的孔隙等缺陷被焊合，合金強度、塑性以及低周疲勞性能均較好，各向異性稍高于等軸組織。

結(jié)論

近些年來，隨著國內(nèi)外研究學(xué)者對LAM TC4合金熱處理后組織形態(tài)與強度、塑性之間關(guān)系的內(nèi)在機理不斷深入的研究，目前LAM TC4合金通過熱處理已經(jīng)可以實現(xiàn)很好的強塑性匹配。但是對于如何通過熱處理使強塑性、韌性以及疲勞性能均比較理想，同時明晰其內(nèi)在機理的研究比較少，而恰恰韌性以及疲勞性能對于合金零件安全性能以及壽命至關(guān)重要，因此進一步深入研究LAM TC4合金組織結(jié)構(gòu)對于其強韌性以及疲勞性能影響的內(nèi)在機理，并且通過熱處理改善其組織，進而提升韌性與疲勞性能會是未來該研究領(lǐng)域的關(guān)鍵點。與此同時，LAM工藝參數(shù)對于熱處理后LAM TC4合金的性能影響比較顯著，通過合理匹配LAM工藝參數(shù)與熱處理方法是獲得優(yōu)異力學(xué)性能合金的最佳選擇。但目前為止，國內(nèi)外對于能夠獲得優(yōu)異綜合力學(xué)性能 LAM TC4鈦合金的工藝參數(shù)與熱處理制度之間的對應(yīng)機理與規(guī)律的研究還比較少，導(dǎo)致在不同LAM工藝參數(shù)下，即使采用同種熱處理工藝得到的結(jié)果差異還是較大。因此應(yīng)該盡快制定完善LAM TC4合金熱處理相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與手冊，以便為將來該項技術(shù)能夠廣泛普及與應(yīng)用起到指導(dǎo)性作用。