1、增材制造TC4鈦合金常用技術(shù)
由于新型設備和越來(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(lèi)也與日俱增。ASTM International 將增材制造技術(shù)分為了七個(gè)大類(lèi)：（1）光固化技術(shù)（SLA）；
（2）材料噴射技術(shù)（Material jetting）；（3）粘結劑噴射技術(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，而根據材料運送方式又可以分為兩種：“送粉/送絲”和“粉床鋪粉”[17]。
目前運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械性能的接近最終形狀的復雜零件[18, 19]。圖 1-1 為EBM 工藝示意圖，EBM 工藝在真空室內使用電子束作為熱源，電磁線(xiàn)圈中的電磁線(xiàn)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。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)選區激光熔化（SLM）生產(chǎn)的樣品相比，EBM TC4 鈦合金中存在相對較少的內應力[1]。
EBM 工藝制備的樣品的機械性能通常優(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(guān)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，包括：光束功率，光束掃描速度，光束聚焦，光束直徑，光束線(xiàn)間距，板溫度，預熱溫度（包括光束的重復，速度和功率），焦
點(diǎn)補償等[24]。因此，工藝參數的優(yōu)化比選區激光熔化工藝（SLM）更加困難，EBM 僅應用于有限的材料，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(guān)察到平面生長(cháng)。在 EBM TC4 鈦合金中，柱狀β初晶粒首先在冷卻過(guò)程中形成，隨后被轉變?yōu)榫哂袑訝罨蛭菏辖M織微觀(guān)結構的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 的屈服強度約為 833-1116MPa，延展性介于 2.7％和 15％之間[5]。
SLM 出現在 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(zhù)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，但這兩者之間的細微差別可能導致微觀(guān)結構發(fā)生顯著(zhù)變化，進(jìn)而導致其機械性能變化[1, 2, 18]。
1.2 增材制造 TC4 鈦合金的微觀(guān)結構
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，當加熱時(shí)，溫度超過(guò)β轉變溫度，α相轉變?yōu)棣孪?，冷卻后β相變回初級的α相，增材制造 TC4
微觀(guān)結構如圖 1-3 所示，直接能量沉積工藝（DED）形成的 TC4 微觀(guān)結構為細層片狀魏氏組織結構和少量的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(guān)結構[41]；選區激光熔化工藝（PBF-L）制造的 TC4 形成層片狀（α+β）結構[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(guān)結構（圖 1-3d 中灰色區域為α相，白色區域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)特征的板塊狀區域混合[43]；直接能量沉積工藝形成由α'馬氏體組成的微觀(guān)結構[44]；選區激光熔化制造的 TC4 的微觀(guān)結構主要由針狀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(cháng)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度，但延展性有限。為了改善機械性能，通常需要后續熱處理才能將α'馬氏體轉變?yōu)棣料?，其寬度主要取決于熱處理的峰值溫度（在低于β相轉變溫度進(jìn)行熱處理），后續進(jìn)行爐冷對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和魏氏組織導致較低的拉伸性能，而相比于二次處理后獲得的組織結構，α'馬氏體的延展性較差。除后續熱處理外，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)現在激光選區熔化制備過(guò)程
觀(guān)察到馬氏體的分解，其中α'馬氏體轉變?yōu)槌殞訝睿é?β）結構[37]，該轉變是由上一層逐步沉積過(guò)程產(chǎn)生的多個(gè)熱循環(huán)導致的[37, 38]，因此需要仔細控制加工參數，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(guān)結構的形成及其性能[39]。例如在 TC4 中添加 10 wt％Mo 使得β相轉變溫度從 995℃降低到 900℃，完全抑制了β相轉變?yōu)棣?#39;馬氏體，形成 Mo 顆粒分散在β基體的微觀(guān)組織結構，既具高強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 的機械性能與工藝參數或微觀(guān)結構之間的關(guān)系，而決定微觀(guān)結構和機械性能最重要的參數是熱輸入和冷卻速率的參數。對于TC4，即使最小的冷卻速度變化也可能會(huì )對機械性能產(chǎn)生很大的影響[45]，其中重要的影響參數包括構造幾何形狀，尺寸和工藝條件。例如，Zhao 等人[46]的研究結果表明，零件尺寸對電子束熔融成形的 TC4 的機械性能有重大影響，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變化對 TC4 的機械性能的影響時(shí)發(fā)現，增加熱輸入使得熔池尺寸增大，從而導致較低的溫度梯度，因此增加了板條厚度和β初晶粒尺寸，微觀(guān)結構尺寸的增加導致屈服強度，抗拉強度和硬度降低。
增材制造過(guò)程中例如缺陷，構建位置和掃描策略等因素也會(huì )直接影響機械性能。例如，Galarraga 等人[48]發(fā)現電子束熔融工藝制造的樣品的內部孔隙度取決于樣品在構建平臺中的位置。樣品臺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，由于在長(cháng)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械性能下降，橫向方向比縱向方向的機械性能差。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)生應力集中，而當沿孔的長(cháng)軸施加張力時(shí)則不起作用。
結果表明，垂直或橫向樣品的伸長(cháng)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-拉伸強度圖[5]，分析數據發(fā)現強度塑性未成反比例關(guān)系，原因可能在于其低應變硬化能力，其他數據點(diǎn)的分散可能是由于不同的增材制造方法、使用的參數不同、熱源效率和零件尺寸的幾何形狀不同等。
為了分析機械性能的各向異性，圖 1-6（a）總結了沿橫向和縱向方向的拉伸強度[5]，結果顯示既沒(méi)有各向異性也沒(méi)有各向同性的明顯趨勢，這又可以歸因于 TC4 的低應變硬化能力。圖 1-6（b）總結沿橫向和縱向的延展性[5]，可以觀(guān)察到延展性數據較分散，這是因為增材制造的工藝參數，孔隙率，內部缺陷和殘余應力導致的微裂紋等微小變化都對其產(chǎn)生較大影響[5]。
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