摘要：電子束熔化成型技術（electron beam melting，EBM）是3D打印的代表性技術之一，特別適合傳統工藝不易加工的Ti-6A1-4V合金（TC4鈦合金）的快速成型，目前在航空航天、化工、生物醫療等領域展示出巨大的應用前景。從EBM的原理出發，綜述了EBM制備TC4鈦合金的顯微組織、缺陷以及力學性能。分析了受成型工藝參數和成型件位置等因素影響的冷卻速度的變化所導致的TC4鈦合金的顯微組織發生變化;并指出了導致TC4鈦合金出現缺陷的主要原因。EBM成型TC4鈦合金的拉伸性能已與鍛造TC4鈦合金相當，其較低的疲勞強度可以通過熱等靜壓處理提高。

　　關鍵詞：電子束熔化成型;TC4鈦合金;顯微組織;缺陷;力學性能中圖分類號：TG 146.2+3文獻標志碼：A

　　TC4鈦合金因具有耐腐蝕、比強度高、韌性好、生物相容性優異等特點，廣泛應用于航空航天、化工、生物醫療等重要領域。但傳統工藝下加工TC4鈦合金存在材料利用率低、制造成本高、難變形等缺點，嚴重限制了TC4鈦合金的推廣應用，3D（threedimensional，3D）打印技術的出現將改善這一現狀。

　　3D打印其學名為增材制造（material additivemanufacturing，AM），起源于20世紀90年代的快速成型技術（rapid prototyping，RP）。區別于減材制造，它采用了離散/堆積原理，利用計算機技術將加工零件的3D實體模型切成一系列具有一定厚度的薄片，3D打印設備對加工數據分析處理后連續加工出每一個薄片并進行堆疊，繼而形成致密實體零件。3D打印技術適用于加工任何形狀的零件，并具有材料利用率高、成本低、高柔性和高集成化等優點，特別適合TC4鈦合金的成型。3D打印技術主要有選擇性激光熔化成型技術（selective lasermelting，SLM）、激光近凈成型技術（laser engineered net shaping，LENS）和電子束熔化成型技術（electron beam melting，EBM）。其中，EBM成型相較于其他兩種成型技術有很多優勢：（1）EBM成型采用電子束為能量源，制造過程中無反射，能量利用率高;（2）EBM成型是在真空環境下進行的，能夠有效避免空氣中其他元素的污染;（3）EBM成型由于能量輸入高，掃描速度快，所以成型效率比其他成型技術高;（4）EBM成型零件的殘余應力較小，可不需要后續熱處理，節省能源。

　　本文從EBM技術原理出發，對國內外相關研究成果進行歸納總結，闡述不同工藝參數下EBM成型TC4鈦合金制件的顯微組織、缺陷及其力學性能，最后對其應用前景進行展望。

　　EBM技術的工作原理如圖1所示。首先，通過Magicsl9.0軟件對零件三維模型按一定的厚度進行切片分層處理，從而獲得零件的整體二維信息。然后，EBM系統均勻地將合金粉末按照一定的厚度平鋪至基板上，并以電流通過鎢絲形成的電子束作為熱源，在聚焦線圈和電磁偏轉線圈的作用下，對基板上的合金粉末進行掃描熔化。電子束每掃描熔化一層，工作臺就下降一個層高度，然后重新鋪粉，電子束重復掃描熔化加工，并且每個加工層相互凝結成為整體。整個制造過程是在真空環境下進行的，從而有效地避免了鈦合金在加工過程中被氧化的可能性。制造完成后，EBM系統將零件從建造室中取出并放置在粉末回收系統（powderrecovery system，PRS）中，在PRS中使用高壓空氣以除去黏附在零件表面上的粉末，最終得到表面光滑的成型零件。

　　EBM技術的主要參數有電子束電流、加速電壓、掃描速度、層厚度、掃描線間距和焦點補償等，通過調整這些參數可以獲得不同的能量密度，如增大電子束電流或降低掃描速度，就可以獲得更高的能量密度。能量密度的大小很大程度上影響了成型件的顯微組織、缺陷及力學性能，合適的能量密度將會使合金具有更好的力學性能。由于EBM技術獨特的成型工藝，EBM成型TC4鈦合金成型件與常規制造（如鍛造）TC4鈦合金成型件的顯微組織和力學性能有所不同。

　　EBM成型TC4鈦合金在成型過程中的溫度變化影響了它的顯微組織。首先，粉末在電子束的作用下熔化，液態合金溫度達到1700℃左右，遠高于TC4鈦合金β相轉變溫度（995℃），此時液態合金由原始的β晶粒構成;而后，隨著電子束的遠離，液態合金迅速冷卻至構建溫度（一般為650-700℃）保持穩定，變為固態，此時合金發生α→α+β，析出針狀α相與柱狀β相。A1-Bermani等認為在此階段冷卻速度大于410℃/s時，會析出亞穩α’馬氏體，長時間處在高溫環境中又使之分解為α+β層狀結構，且大部分為細小的針狀α板條，少部分為β相。而后成型TC4鈦合金由構建溫度緩慢冷卻至室溫，合金顯微組織沒有明顯改變，仍由α+β相構成。EBM成型TC4鈦合金與鍛造成型TC4鈦合金顯微組織如圖2所示。

　　國內外學者針對EBM成型TC4鈦合金顯微組織做了大量研究，發現成型工藝參數、成型件的位置、成型件尺寸等因素均會影響成型過程中合金的冷卻速率，進而影響其晶粒尺寸。Hrabe等發現，在保證能量輸入可以使TC4鈦合金粉末完全熔化形成致密零件的條件下，適當增大電子束掃描速度，會造成熔池尺寸減小，冷卻速率增大，從而析出更細小的α板條及β相。Murr等和王等發現EBM成型TC4鈦合金不同位置的顯微組織不同。如圖3所示，沉積高度較低的位置，由于更靠近成型基板從而具有較高的冷卻速率，是不穩定的生長區，易于析出細小針狀α相;沉積高度越高的位置，其α板條越厚，β晶粒越大;沉積一定高度后，處于穩定生長區，α板條以及β晶粒尺寸趨于穩定。Wang等也研究了成型件尺寸對EBM成型TC4鈦合金顯微組織的影響，發現在逐層熔化凝固過程中，尺寸較小的樣品的冷卻速率較大，因此析出更為細小的α相。Galarraga等進一步研究發現，EBM成型TC4鈦合金顯微組織的變化與其在構建室的停留時間有關，如果停留時間過長，反而會造成沉積高度底的位置沉積高度更低、顯微組織更粗大的結果。 　　2.2EBM成型TC4鈦合金缺陷由于工藝參數的不當選擇或工藝干擾，EBM成型TC4鈦合金零部件可能會產生各種缺陷。Zhai等發現EBM成型TC4鈦合金顯微組織中存在兩種典型的缺陷：一種是由缺陷粉末中夾帶的氬氣引起的孔隙，如圖4（a）所示;另一種是由于合金粉末的熔化不良導致的孔隙，見圖4（b）。

　　Gong等根據輸入電子束能量密度的高低將TC4鈦合金缺陷分為兩大類。當能量密度過低時，不足以使熔池與熔池、層與層之間完全連接，形成了不規則的熔化缺陷，并伴隨一定量孔隙。當能量密度過高時，導致局部熱量急速上升，粉末熔化時在表面張力的作用下球化（粉末的導熱系數低），進而形成的孔隙。Kahnert等發現能量輸入過高，不僅會使成型件表面質量變差，嚴重時還會導致涂粉系統的靶機停止工作，使得制造過程本身必須中止。此外，當電子束電流超過某一閾值，合金粉末會被吹走，在層中留下了不規則的孔隙，嚴重時會使得整個粉末床發生潰散，如圖5所示;對粉末床進行預熱，以提高其黏附性，克服電子束對合金粉末的推力，可以避免粉末潰散現象的發生。缺陷會對于C4鈦合金的力學性能產生不利的影響，必須優化EBM工藝參數，如控制掃描速度、調整掃描線間距和優化電子束電流等，減少缺陷的產生。

　　表1列出了不同EBM成型工藝下TC4鈦合金的力學性能。Bruno等研究了EBM成型與鍛造成型的TC4鈦合金的拉伸性能，由于EBM成型TC4鈦合金在成型過程中很容易出現孔隙缺陷，并且其顯微組織分布不均勻，導致它的抗拉強度、屈服強度最高分別為996MPa和919MPa，略低于鍛造成型的TC4鈦合金的強度（抗拉強度和屈服強度分別為1034MPa，991MPa：）;王等也研究了EBM成型TC4鈦合金的拉伸性能，發現它的抗拉強度為1002MPa，屈服強度為932MPa，伸長率為14.4%，所有的性能指標均高于TC4鈦合金鍛件經退火時效處理后的性能。

　　EBM成型TC4鈦合金的力學性能存在顯著的各向異性。Bruno等和Hrabe等發現EBM成型樣品的水平方向的抗拉強度強于豎直方向的抗拉強度（表1），而成型樣品的水平方向的伸長率小于豎直方向的伸長率。這是由于合金內部B晶粒不均勻造成的：成型樣品主要沿垂直方向生長;水平方向形成較小的初生β晶粒減小了晶界處的應力堆積，從而延緩了裂紋萌生，使之具有略大的伸長率。

　　Hrabe等發現電子束掃描速度（與能量密度負相關）增大會使α板條的厚度略微減小（1.16μm→0.95un），進而使抗拉強度、屈服強度和顯微硬度分別提高了2%，3%和2%。

　　Formanoir等將EBM成型TC4鈦合金分別在950℃保溫60min和1040℃保溫30min，均采用水冷和空冷兩種冷卻方式，合金的抗拉強度和屈服強度略有降低，伸長率未得到顯著提高，表明只有控制EBM成型關鍵參數是提高合金性能的有效方法。

　　3.2 EBM成型TC4鈦合金的疲勞性能

　　Chan等測試了EBM成型TC4鈦合金與軋制TC4鈦合金在600MPa（±10%）的交變彎曲應力作用下的疲勞壽命（循環次數）。結果表明EBM成型TC4鈦合金的疲勞壽命僅為軋制合金的疲勞壽命的17%;EBM成型TC4鈦合金的斷口處分布著由于熔化不良區域導致的不同形狀的孔隙，且其表面粗糙度也遠高于軋制TC4鈦合金，這是其低疲勞壽命的重要原因。

　　Tammas-Williams等發現熱等靜壓（hotisostatic pressing，HIP）處理能有效地消除EBM成型TC4鈦合金中的絕大部分孔隙，如圖6所示。但如果樣品中存在一些隧道孔并且連接到表面，HIP處理下的高壓氬氣會滲透到隧道孔中，使得這些隧道缺陷輕微擴張，造成HIP處理失效;在HIP前對樣品添加涂層，可去除隧道缺陷。Shui等發現EBM成型的TC4鈦合金經HIP處理后，雖然。板條變厚，位錯密度降低，抗拉強度以及屈服強度分別由870MPa和788MPa降至819MPa和711MPa，但HIP處理使組織變得更加均勻，合金相對密度由99.3%上升至99.8%，減少了裂紋萌生源，進而使疲勞強度由460boa升高至580MPa。

　　4 結束語

　　綜上所述，國內外針對EBM成型TC4鈦合金的研究結果表明：EBM成型TC4鈦合金宏觀組織為沿構建方向生長的柱狀晶，顯微組織為α+β層狀結構，冷卻速率越快，越易得到更精細的顯微組織。優化工藝參數使EBM具有最佳能量密度，能有效避免大量缺陷的產生。后續HOP處理也能夠去除孔隙并使顯微組織均勻，雖然導致晶粒粗化、降低位錯密度，合金強度略有下降，但卻能顯著提高疲勞性能。優化EBM成型過程的各項參數，輔以恰當的后續處理，能夠獲得與常規鑄鍛方式性能相當的TC4鈦合金。EBM節省原材料、速度快、效率高，便于復雜形狀工件成型，必將逐步取代目前的減材制造方式應用于航空航天、化工和醫療等領域。