撰稿 | 曹晟（曼徹斯特大學(xué)）
作為一種先進(jìn)增材制造技術(shù)，選區(qū)激光熔化/激光粉末床熔融（SLM/LBPF）由于其成形件精度高、表面質(zhì)量好、性能優(yōu)良而受到廣泛關(guān)注。
在激光粉末床熔融技術(shù)的應(yīng)用中，α+β雙相鈦合金因其比強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕、生物相容性好、可焊性優(yōu)異（成形件無裂紋）等特點(diǎn)，在航空航天、海洋工程、軍事裝備與生物醫(yī)療等眾多領(lǐng)域都有著大量應(yīng)用。
然而，該技術(shù)還面臨著致密度低與組織性能各向異性較嚴(yán)重等問題，以及針對高強(qiáng)高韌需求與高強(qiáng)高斷裂韌性抗蠕變需求的微觀組織設(shè)計(jì)難題。
為此，澳大利亞莫納什大學(xué)吳鑫華教授（澳大利亞技術(shù)科學(xué)與工程院院士、莫納什大學(xué)副校長）（人物簡介>>>）團(tuán)隊(duì)對目前已報(bào)道的激光粉末床熔融制備Ti-6Al-4V（我國牌號：TC4）工作進(jìn)行了總結(jié)綜述，包括成形工藝、成形質(zhì)量、微觀組織演化與性能調(diào)控等方面，并且為激光粉末床熔融制備雙相鈦合金有待探索的領(lǐng)域指明了探究方向。
圖1 3D打印技術(shù)在先進(jìn)制造領(lǐng)域的應(yīng)用
該綜述以 Review of laser powder bed fusion (LPBF) fabricated Ti-6Al-4V: process, post-process treatment, microstructure, and property 為題發(fā)表在 Light: Advanced Manufacturing。
在這篇綜述論文中，主體內(nèi)容分為三個(gè)方面：
?。?）激光粉末床熔融工藝:
圖2 選區(qū)激光熔化/激光粉末床熔融（SLM/LBPF）技術(shù)示意圖
圖2為選區(qū)激光熔化/激光粉末床熔融（SLM/LBPF）技術(shù)示意圖。在成形過程中，工藝參數(shù)與掃描策略對缺陷形成、殘余應(yīng)力和表面質(zhì)量都有著極大的影響。如圖3所示，通過合理的工藝參數(shù)組合才能得到高致密度樣件，過高或過低的激光功率與掃描速度等參數(shù)均可引入不同類型的缺陷。
圖3 (a)選區(qū)激光熔化/激光粉末床熔融（SLM/LBPF）工藝窗口; (b)高掃描速度下的未熔合缺陷;(c)工藝窗口中得到的高致密樣品;(d)高激光功率下的匙孔缺陷。
(2) 成形工藝與后續(xù)熱處理工藝對微觀組織的影響:
在這一部分我們介紹了打印態(tài)原始β柱狀晶中α’馬氏體組織、退火態(tài)的α+β片層組織、固溶時(shí)效態(tài)的α+β雙片層或雙態(tài)組織，與熱等靜壓態(tài)α+β片層組織；深入討論了成形工藝與熱處理工藝對微觀組織演化的影響。如圖4所示，在雙相區(qū)固溶時(shí)效（α+β STA）處理中，固溶溫度與時(shí)間可極大影響初生α相的組織特征。
圖4 雙相區(qū)固溶時(shí)效（α+β STA）處理固溶溫度與時(shí)間對初生α相組織特征的影響。
(3) 微觀組織與性能之間的關(guān)系:
這一部分著重總結(jié)了激光粉末床熔融鈦合金中微觀組織特征對性能的影響，包括拉伸性能、疲勞性能、斷裂韌性、蠕變以及腐蝕性能。圖5a為打印態(tài)、熱處理態(tài)與熱等靜壓態(tài)片層組織中α片層厚度與屈服強(qiáng)度之間的Hall-Petch關(guān)系；圖5b為馬氏體組織、α+β片層組織與雙態(tài)組織的力學(xué)性能分布，可見雙態(tài)組織在拉伸性能上擁有高強(qiáng)高韌的特點(diǎn)。
圖5 微觀組織對力學(xué)性能的影響。(a)不同狀態(tài)的試樣中，微觀組織與屈服強(qiáng)度之間的Hall-Petch關(guān)系；（b）不同微觀組織的試樣中屈服強(qiáng)度與斷后延伸率的分布。
與傳統(tǒng)鍛造或鑄造工藝制備的鈦合金相比，后處理過的（包括熱處理/熱等靜壓處理/表面處理）激光粉末床熔融鈦合金具有更好的拉伸、疲勞、斷裂韌性和蠕變性能。此外，我們還提出了在激光粉末床熔融鈦合金中同時(shí)獲得高強(qiáng)度/高斷裂韌性/抗蠕變的矛盾。
在綜述最后的展望部分中，我們指出：
(1）理想狀態(tài)下，LPBF制備鈦合金在制備復(fù)雜形狀零件和縮短生產(chǎn)周期方面具有很大優(yōu)勢。然而，目前的技術(shù)應(yīng)用與上述優(yōu)勢還存在一定的差距。例如，LPBF技術(shù)固有的表面粗糙度和內(nèi)部缺陷需要后續(xù)表面處理和熱等靜壓處理來解決。
(2）此外，如何減輕組織與性能的各向異性需要開展進(jìn)一步研究。
(3）在組織和性能方面，LPBF制備的雙相鈦合金具有較細(xì)的微觀組織，導(dǎo)致了較高的拉伸強(qiáng)度和高周疲勞強(qiáng)度。然而，細(xì)晶組織不利于斷裂韌性和抗蠕變性能的提高。因此，針對如何獲取高強(qiáng)高斷裂韌性抗蠕變的微觀組織需要對后續(xù)熱處理進(jìn)行進(jìn)一步研究。
(4）與片層組織相比，雙態(tài)組織擁有高強(qiáng)高韌的特點(diǎn)。此外，雙態(tài)組織還有著較高的高周/低周疲勞強(qiáng)度與較低的疲勞裂紋擴(kuò)展速率。為獲取雙態(tài)組織，打印后續(xù)熱處理通常采用α+β STA固溶時(shí)效處理，但這必然會導(dǎo)致初生與次生α相之間存在的固溶元素含量與強(qiáng)度的差異，因此需對其進(jìn)一步開展研究。
論文信息：
Sheng Cao, Yichao Zou, Chao Voon Samuel Lim, Xinhua Wu. Review of laser powder bed fusion (LPBF) fabricated Ti-6Al-4V: process, post-process treatment, microstructure, and property[J]. Light: Advanced Manufacturing.
本文的第一作者為曼徹斯特大學(xué)曹晟博士，合作者包括曼徹斯特大學(xué)鄒逸超博士與莫納什大學(xué)Chao Voon Samuel Lim博士。
