李海亮, 賈德昌,3, 楊治華,3, 段小明,3, 蔡德龍, 周 玉

(1.特種陶瓷研究所(哈爾濱工業(yè)大學(xué))，哈爾濱 150080；2.先進(jìn)結(jié)構(gòu)功能一體化材料與綠色制造技術(shù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱工業(yè)大學(xué))，哈爾濱 150001；3.先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱工業(yè)大學(xué))，哈爾濱 150001)

選區(qū)激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)3D打印技術(shù)，是在快速原型制造和激光熔覆技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的從三維數(shù)字模型概念設(shè)計(jì)到三維實(shí)體柔性制造一體化的先進(jìn)制造技術(shù)，該技術(shù)基于“離散+堆積”的成形理念，在計(jì)算機(jī)的控制下，高能激光束按照分層軟件指定的路徑逐層熔化自動(dòng)鋪設(shè)的粉末薄層，所得熔凝組織通過(guò)層層堆積并最終實(shí)現(xiàn)兼顧精確成形和高性能需求的復(fù)雜構(gòu)件的快速、無(wú)模具、凈成形[1-4]．與傳統(tǒng)制造工藝相比，SLM 3D打印技術(shù)具有零件開發(fā)周期短、加工精度高、致密度高、可成形任意形狀復(fù)雜零件等特點(diǎn)，其應(yīng)用范圍已拓展到航空航天、國(guó)防和生物醫(yī)療等領(lǐng)域[5-7]．

鈦合金及其復(fù)合材料因具有比強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐高溫以及耐疲勞性能優(yōu)異等特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于航空航天和國(guó)防領(lǐng)域，但在傳統(tǒng)的機(jī)械加工過(guò)程中往往存在切削溫度高、化學(xué)活性強(qiáng)、粘刀現(xiàn)象嚴(yán)重等問(wèn)題，尤其是通過(guò)切削加工完成復(fù)雜薄壁型腔結(jié)構(gòu)件非常困難．而近年來(lái)新型航空航天裝備中使用的鈦合金產(chǎn)品往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜、性能要求高，且在設(shè)計(jì)中更加注重采用精密復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)件，傳統(tǒng)的鑄造、鍛造、焊接和機(jī)加工等工藝已難以滿足設(shè)計(jì)和制造要求[8-11]，因此，能夠?qū)崿F(xiàn)多品種、小批量、凈成形、設(shè)計(jì)靈活和快速響應(yīng)等需求的SLM 3D打印技術(shù)在成形基于鈦合金及其復(fù)合材料的復(fù)雜整體構(gòu)件方面具有廣闊的應(yīng)用前景．

本文主要介紹選區(qū)激光熔化3D打印技術(shù)以及近年來(lái)在鈦合金及其復(fù)合材料制備方面的研究進(jìn)展，分析評(píng)述了其組織特征和力學(xué)性能及相關(guān)工程應(yīng)用的研究進(jìn)展情況，在此基礎(chǔ)上，對(duì)未來(lái)的重點(diǎn)學(xué)術(shù)與技術(shù)研究問(wèn)題進(jìn)行了展望．

1 SLM 3D打印技術(shù)原理與特點(diǎn)

基于粉末完全熔化機(jī)制的SLM 3D打印成形思想由德國(guó)Fraunhofer研究所的科研人員于1995年首次提出[12]，該技術(shù)繼承于選區(qū)激光燒結(jié)(Selective Laser Sintering，SLS)技術(shù)，但摒棄了SLS過(guò)程中由于粉末熔化不完全帶來(lái)的致密度較低的問(wèn)題．隨著先進(jìn)高功率光纖激光器的發(fā)展以及鋪粉精度不斷提升，尤其是2010年前后部分金屬材料獲得了近乎全致密的激光成形構(gòu)件[13-16]，SLM技術(shù)得以快速發(fā)展．

圖1為SLM 3D打印技術(shù)工作原理示意圖．其主要工作過(guò)程如下：首先將構(gòu)件的三維數(shù)模STL文件進(jìn)行切片分層后導(dǎo)入到SLM設(shè)備的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，水平鋪粉裝置在基板上鋪上一層預(yù)先設(shè)定厚度(通常為20～50 μm)的粉末，高能量密度的光纖激光束根據(jù)輸入的當(dāng)前層輪廓信息沿著一定的掃描路徑選擇性地熔化粉末層，形成的激光微熔池在激光束移開后溫度快速下降并凝固成實(shí)體，這樣每掃描完一層，就成形出構(gòu)件當(dāng)前層的輪廓形狀，而那些沒(méi)有被掃描過(guò)的區(qū)域則仍然以原始粉末的形式存在，并起到支撐作用，每當(dāng)一個(gè)加工周期結(jié)束后，成型室升降系統(tǒng)下降一個(gè)層厚的距離，然后鋪粉工具在已成形的層面上再鋪一層粉末，激光束繼續(xù)按照下一層的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行掃描，如此往復(fù)循環(huán)直到整個(gè)構(gòu)件制造完成[15, 17]．SLM成形過(guò)程通常在充滿惰性氣體(Ar、N2)的密閉腔室內(nèi)進(jìn)行，以防止金屬與其他氣體發(fā)生反應(yīng)．成形結(jié)束后，對(duì)支撐粉末進(jìn)行收集、過(guò)篩，以便重復(fù)利用．

圖1 SLM 3D打印設(shè)備工作原理示意圖

表1對(duì)比了選區(qū)激光熔化、激光熔化沉積(Laser Melting Deposition，LMD)和電子束選區(qū)熔化(Selective Electron Beam Melting，SEBM)3種常見的高能束流3D技術(shù)的工藝參數(shù)和成形特點(diǎn)[1, 5, 18-20]，這3種技術(shù)均基于完全熔化/凝固機(jī)制，可獲得近乎全致密的顯微組織．

表1 常見的高能束流3D打印技術(shù)對(duì)比[1, 5,18-20]

Table 1 Comparison of typical high-energy beam 3D printing technology[1, 5,18-20]

成形工藝SLMLMDSEBM加工熱源光纖激光激光電子束功率/W50～5001 000～10 0003 000工作氣氛氬氣或氮?dú)鈿鍤饣虻獨(dú)庹婵账头鄯绞阶詣?dòng)鋪粉同軸送粉自動(dòng)鋪粉預(yù)熱溫度/℃≤200≤200650～700冷卻速度/ (℃·s-1)103～108<103103～104粉末粒徑/μm15～45或15～5350～15045～105光斑直徑/μm50～180300～4 000100～500層厚/μm20～100100～1 00050～200成形速度較慢快較快成形精度高較低較高成形件尺寸中、小大、中中、小

其中，LMD技術(shù)采用同軸送粉方式，激光器功率為千瓦級(jí)，成形效率高，成形尺寸基本不受限制，特別適合大、中型復(fù)雜金屬零件的高效率制備，但由于所配備的激光光斑直徑較大(通常在1 mm以上)，故成形精度較低，需要后續(xù)的進(jìn)一步機(jī)加工．SEBM技術(shù)與SLM技術(shù)在成形原理和成形件特點(diǎn)等方面基本相似，主要區(qū)別是加工熱源不同，SEBM技術(shù)采用高能高速電子束作為熱源，其成形效率和成形精度介于LMD技術(shù)和SLM技術(shù)之間．

SLM技術(shù)由于激光光斑直徑、鋪粉厚度和粉體粒徑都非常小(通常在幾十微米量級(jí))，光纖激光器能量密度高，使得成形件尺寸精度高、表面質(zhì)量?jī)?yōu)異，致密度近100%，通常無(wú)需或僅需簡(jiǎn)單的后期處理就能直接使用，屬于真正意義上的“凈成形”，此外，基于鋪粉工藝的粉末床中易于構(gòu)造支撐結(jié)構(gòu)，因此，SLM技術(shù)特別適合具有懸空、復(fù)雜內(nèi)腔和型面等中、小型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的直接整體制造．

SLM 3D打印設(shè)備具有成形速度快、參數(shù)易調(diào)控、數(shù)據(jù)處理方便等特點(diǎn)，特別適合大批量材料樣品的快速制備和工藝參數(shù)的優(yōu)化控制，美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Salzbrenner等[21]采用SLM 3D打印設(shè)備一次性批量制備了120個(gè)不銹鋼拉伸測(cè)試件，如圖2所示.為系統(tǒng)研究多種力學(xué)性能的統(tǒng)計(jì)學(xué)特征提供了技術(shù)支持，實(shí)現(xiàn)了對(duì)該類材料特性的快速、高效評(píng)估．

圖2 SLM 3D打印技術(shù)批量制備的拉伸測(cè)試樣[21]

Fig.2 Batch tensile specimens fabricated by SLM 3D printing technology[21]:(a)3D model;(b) printed specimens

為進(jìn)一步擴(kuò)展打印尺寸、提高打印效率并實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的大批量制造，集多激光束、智能監(jiān)控、銑削加工和熱處理等一體的混合3D打印設(shè)備成為發(fā)展趨勢(shì)，華中科技大學(xué)曾曉雁等[22]采用四激光SLM 3D打印設(shè)備進(jìn)行TC4合金的成形試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)，可使得成形樣品的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能不受重疊區(qū)域的影響，為實(shí)現(xiàn)性能穩(wěn)定的大尺寸部件的高效率制造提供了技術(shù)支撐．由此可見，SLM 3D打印設(shè)備有望作為材料基因組計(jì)劃(Materials Genome Initiative，MGI)的驗(yàn)證平臺(tái)，進(jìn)行高通量的材料實(shí)驗(yàn)，為材料計(jì)算模擬提供大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，充實(shí)材料性能與結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)也可以針對(duì)具體應(yīng)用需求，結(jié)合理論模型，加快材料設(shè)計(jì)，快速篩選目標(biāo)材料，推進(jìn)材料研發(fā)和應(yīng)用進(jìn)程．

SLM成形過(guò)程涉及復(fù)雜的冶金、物理、化學(xué)和熱力耦合等問(wèn)題，產(chǎn)生的球化效應(yīng)、殘余應(yīng)力等往往引起微孔、微裂紋以及層間弱結(jié)合等內(nèi)部缺陷．為獲得致密度高、性能優(yōu)異的成形構(gòu)件，需要對(duì)SLM成形工藝參數(shù)(如掃描策略、激光功率、激光掃描速率、掃描間距和層厚)進(jìn)行優(yōu)化，通常采用單位體積內(nèi)的平均施加能量，即體積能量密度E(J/mm3)來(lái)表示，其表達(dá)式為[13]

式中：P為激光功率,W；v為激光掃描速度,mm/s；h為激光掃描間距,mm；t為層厚度,mm．

體積能量密度對(duì)激光熔池尺寸起著決定性作用，而激光熔池尺寸對(duì)SLM成形件的表面形貌、微觀組織和力學(xué)性能有著重要影響，因此，通過(guò)改變SLM工藝參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)成形件組織和性能的有效調(diào)控與優(yōu)化．

2 SLM 3D打印鈦合金及其復(fù)合材料組織結(jié)構(gòu)特征

鈦合金及其復(fù)合材料的力學(xué)性能主要取決于基體連續(xù)相種類、形貌、取向、特征尺寸及增強(qiáng)相(對(duì)于復(fù)合材料而言)的含量、形貌與分布等組織特征，SLM 3D打印制備的鈦合金及其復(fù)合材料的典型組織結(jié)構(gòu)特征情況匯總?cè)绫?所示．

2.1 SLM 3D打印鈦合金典型組織特征

SLM 3D打印制備的鈦合金的組織結(jié)構(gòu)與激光熔池的傳熱過(guò)程密切相關(guān)[4]．由于SLM過(guò)程中形成的激光熔池極小，熔池凝固過(guò)程中具有極高的冷卻速率(103～108K/s，馬氏體轉(zhuǎn)變臨界冷卻速率410 K/s)和溫度梯度(104～105K/cm)[1, 7, 16, 34-36]，β相不能通過(guò)擴(kuò)散轉(zhuǎn)變成平衡的α相，只能發(fā)生切變相變，從而形成α穩(wěn)定元素過(guò)飽和的固溶體，即α′馬氏體．研究表明，采用SLM 3D打印成形的工業(yè)純鈦[16, 28-29]、α型鈦合金[30]、近α型鈦合金[37]及(α+β)型鈦合金[13, 24-25, 31]微觀組織中通常含有大量細(xì)小的針狀α′馬氏體．

表2 不同工藝制備的鈦合金及其復(fù)合材料典型組織結(jié)構(gòu)特征

以研究最為廣泛的TC4合金為例，采用SLM技術(shù)制備的TC4鈦合金微觀組織主要由大量細(xì)小針狀α′馬氏體和少量初始β柱狀晶組成(圖3)，且初始β柱狀晶沿堆積方向呈現(xiàn)較明顯的各向異性并貫穿多個(gè)熔敷層連續(xù)外延生長(zhǎng)，長(zhǎng)度最多可達(dá)幾個(gè)毫米[13, 19, 38-39]．其中，β柱狀組織分布特征與LMD技術(shù)成形的組織(圖4(a))十分相似．但不同的是，得益于冷卻速率更高、熱積累較少， SLM成形TC4合金初始β柱狀晶更加細(xì)化(寬度通常在100 μm以內(nèi))，且在柱狀晶內(nèi)部形成不同取向的α′馬氏體，這也使得SLM成形件組織和力學(xué)性能的各向異性都明顯弱于LMD構(gòu)件．

SLM 3D打印工藝參數(shù)對(duì)鈦合金成形件的微觀組織結(jié)構(gòu)具有顯著影響[16, 25, 40-42]．Xu等人[25]發(fā)現(xiàn)改變能量密度和激光焦點(diǎn)偏移距離可有效調(diào)控TC4鈦合金組織中α′馬氏體含量，并可在適當(dāng)工藝參數(shù)搭配下實(shí)現(xiàn)α′馬氏體原位分解，得到只含(α+β)片層的組織．Gu等人[16]研究發(fā)現(xiàn)，保持激光功率不變，隨掃描速度增加，工業(yè)純鈦(TA2)的組織由較為粗大的α片層組織逐步過(guò)渡到細(xì)小的針形α′馬氏體．

圖3 SLM成形TC4構(gòu)件的微觀組織[19]

Fig.3 Microstructures of TC4 alloys fabricated by SLM[19]: (a) SEM image parallel to building direction; (b) high magnification SEM image in region 1; (c) SEM image perpendicular to building direction; (d) high magnification SEM image in region 2

圖4 LMD、SEBM和軋制退火制備的TC4構(gòu)件的微觀組織[4，19]

Fig.4 Microstructures of TC4 alloys fabricated by LMD, SEBM and mill annealling[4，19]: (a)LMD-parallel to building direction; (b)SEBM-parallel to building direction;(c) mill annealling-parallel to building direction;(d) LMD-perpendicular to building direction; (e) SEBM-perpendicular to building direction; (f) mill annealling-perpendicular to building direction

此外，基于鋪粉工藝的SLM技術(shù)是一個(gè)合金粉末逐層熔覆沉積的過(guò)程．成形過(guò)程中持續(xù)的熱輸入會(huì)對(duì)已熔覆沉積層起到類似循環(huán)熱處理的作用．因此，在一定條件下，成形件在不同位置可以呈現(xiàn)不同微觀組織．如圖5所示，在堆積方向，由于SLM成形試樣不同部位經(jīng)歷的循環(huán)熱處理過(guò)程不同，使得區(qū)域I由界面清晰的片層狀(α+β)雙相組成，區(qū)域II則由更加細(xì)小的片層狀(α+β)雙相組成，這與熱處理后形成的組織結(jié)構(gòu)非常相似，研究者認(rèn)為這是因?yàn)橐殉尚谓M織中的α′馬氏體在后續(xù)熱輸入作用下發(fā)生了原位分解，而區(qū)域III則是典型的α′馬氏體，這是最后幾層缺少后續(xù)堆積層的熱處理作用造成的[25]．因此，SLM過(guò)程的這一特點(diǎn)有望實(shí)現(xiàn)梯度材料的制備．

圖5 SLM 3D打印成形的TC4鈦合金試樣在堆積方向上不同位置的微觀組織[25]

Fig.5 Microstructures of different positions along the building direction of TC4 alloys fabricated by SLM[25]: (a) region I, bottom; (b) region II, middle; (c) region III, top

2.2 SLM 3D打印鈦基復(fù)合材料典型組織特征

陶瓷增強(qiáng)體的引入可以顯著細(xì)化鈦基體的微觀組織．與傳統(tǒng)的粉末冶金、鑄造等工藝制備的原位自生鈦基復(fù)合材料相比，SLM工藝得到的陶瓷增強(qiáng)相晶粒往往異常細(xì)化，可達(dá)納米級(jí)，且彌散分布在鈦基體中，無(wú)明顯團(tuán)聚現(xiàn)象，可有效約束鈦基體的熱膨脹變形，防止界面裂紋的產(chǎn)生[32-33, 43-45]．這種獨(dú)特的納米級(jí)增強(qiáng)體形貌與分布特征主要得益于高能量密度激光輻照、熔化過(guò)程所特有的能量特點(diǎn)以及非平衡激光熔池內(nèi)特殊冶金熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)行為．

圖6所示為SLM成形的Ti-8.35vol.%TiB原位自生鈦基復(fù)合材料的微觀組織[32]．與純Ti相比，該復(fù)合材料中鈦晶粒為更加細(xì)小的片層狀，晶粒平均尺寸(長(zhǎng)×寬)由約15.3 μm×2.1 μm細(xì)化至約1.1 μm×0.6 μm．分析認(rèn)為，這主要是由于原位生成的大量彌散分布TiB阻止了鈦晶粒長(zhǎng)大導(dǎo)致．而TiB增強(qiáng)體則以晶須狀或短纖維狀均勻分布在Ti基體中，其直徑達(dá)到了納米尺度，大量單根晶須聚集在一起形成晶須簇．

圖6 SLM成形Ti/TiB復(fù)合材料的微觀組織[32]

Gu等人[33]研究表明，SLM成形的Ti-15wt%TiC復(fù)合材料中TiC增強(qiáng)相主要有兩種形貌：一種是細(xì)長(zhǎng)樹枝晶結(jié)構(gòu)(圖7(c))，一次枝干長(zhǎng)約6.8 μm，一次枝晶長(zhǎng)約0.7 μm，一次枝晶間距則為納米級(jí)；另一種是平均厚度約90 nm的TiC片(圖7(d))，即出現(xiàn)了納米TiC增強(qiáng)體．這種微細(xì)的納米級(jí)TiC增強(qiáng)體在傳統(tǒng)工藝制備的原位鈦基復(fù)合材料中很難出現(xiàn)，主要得益于SLM過(guò)程中高能量密度和激光熔池冷卻速率，TiC通過(guò)溶解/沉淀機(jī)制以異質(zhì)形核的方式生成新核并長(zhǎng)大．

值得說(shuō)明的是， SLM成形過(guò)程需要球形度較高且尺寸分布范圍較窄的粉末以確保鋪粉順利進(jìn)行．常用鈦合金粉末采用氣霧化方法制備且已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)，但目前尚無(wú)適合SLM過(guò)程的陶瓷增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料專用球形粉末．現(xiàn)階段研究主要是采用低能球磨方式將陶瓷粉體嵌入鈦粉表面并維持其球形形貌(圖7(a))，這樣可以確保粉體具有足夠的流動(dòng)性，但也使得高能激光直接作用在陶瓷粉體上，常引起比金屬粉末更為突出的飛濺問(wèn)題，增加成形過(guò)程的不穩(wěn)定性，引起成形缺陷．

2.3 常見冶金缺陷

選區(qū)激光熔化3D打印工藝在形成獨(dú)特微觀組織的同時(shí)，也可能由于成形工藝控制不當(dāng)而產(chǎn)生氣孔、夾雜、裂紋和層間熔合不良等冶金缺陷(圖8)[28]，并進(jìn)一步影響成形件的力學(xué)性能．如前所述，SLM工藝參數(shù)對(duì)激光熔池尺寸起著決定性作用，在高能激光與粉末作用過(guò)程中，熔池的大小、形態(tài)及其變化過(guò)程(穩(wěn)定性)對(duì)成形件的微觀組織、內(nèi)部缺陷及表面粗糙度等有著直接的影響．Gu等[16]研究了不同工藝參數(shù)(掃描速度)對(duì)工業(yè)純鈦成形過(guò)程中激光熔池液相前沿鋪展形態(tài)的影響規(guī)律,當(dāng)采用合適的掃描速度(200 mm/s)時(shí)，激光熔池的熔體流動(dòng)均勻， 液相前沿鋪展順利，相鄰掃描道次之間冶金結(jié)合良好，凝固后的液態(tài)熔池輪廓十分清晰，無(wú)球化現(xiàn)象，也沒(méi)有氣孔和裂紋等冶金缺陷，最終成形件幾乎完全致密且表面光潔度高，而速度太高(400 mm/s)則容易導(dǎo)致液相前沿鋪展紊亂，有明顯的球化效應(yīng)產(chǎn)生，堆積層分布不均勻且在層間形成了明顯的微米級(jí)孔洞，導(dǎo)致其致密度顯著下降．

球化效應(yīng)是SLM成形過(guò)程中很常見的一種缺陷，在掃描速度較高時(shí)容易出現(xiàn)，這是因?yàn)檩^高的掃描速度造成熔池內(nèi)溫度梯度較大，產(chǎn)生較大的表面張力梯度，進(jìn)而出現(xiàn)Marangoni對(duì)流現(xiàn)象，增加了熱毛細(xì)力和液態(tài)熔池的不穩(wěn)定性，且掃描速度越大該現(xiàn)象就愈明顯，熔池液態(tài)表面流體從低表面張力區(qū)域到高表面張力區(qū)域流動(dòng)，將液流方向由放射狀向外改為放射狀向內(nèi)方向，從而導(dǎo)致指向激光束中心的粗大金屬球的產(chǎn)生，產(chǎn)生球化效應(yīng)．

Fig.7 Microstructures of the SLM-produced Ti-TiC composite: (a) SEM image of mixed Ti-TiC powder; (b) dispersion states of reinforcement whenEis 180 J/mm3; (c) region B1; (d) region B2

圖8 SLM成形Ti的激光熔池液相前沿鋪展形態(tài)及常見的內(nèi)部缺陷[7, 16]

Fig.8 Liquid flow characteristics of laser molten pool and typical inner defects of the SLM-produced CP-Ti[7, 16]: (a) 90 W,200 mm/s; (b) 90 W, 400 mm/s; (c) pores and unmelted particle; (d) balling effects

2.4 熱處理后組織特征

SLM成形鈦合金及其復(fù)合材料構(gòu)件中大量α′馬氏體硬脆相的存在一定程度上有利于提升成形件的強(qiáng)度和硬度，但往往造成塑性降低，尤其是對(duì)于TC4合金，分布在初始β柱狀晶晶界上的α′馬氏體極易造成沿晶斷裂；此外，SLM逐層堆積過(guò)程中會(huì)累積大量的熱應(yīng)力．因此，在一些實(shí)際應(yīng)用中，為了消除熱應(yīng)力及α′馬氏體對(duì)基體塑性的不利影響，通常需要對(duì)SLM成形件進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚韥?lái)獲得特定的顯微組織，以達(dá)到合金的最佳力學(xué)性能[ 44 , 46-51 ]．

研究表明，當(dāng)熱處理溫度在鈦合金相變點(diǎn)(995 ℃左右)以下時(shí)，亞穩(wěn)態(tài)α′馬氏體發(fā)生分解并轉(zhuǎn)變?yōu)槠瑢訝?α+β)相；交替排列的(α+β)相可有效阻止晶粒長(zhǎng)大，初始β柱狀晶依然清晰可見．α片層寬度主要取決于熱處理溫度[25]，且隨著溫度升高而增加(表2和圖9).保溫時(shí)間和冷卻速率則沒(méi)有顯著影響．當(dāng)熱處理溫度在相變點(diǎn)以上時(shí)，保溫過(guò)程中，初始β柱狀晶成長(zhǎng)為粗大的半等軸狀β晶粒，最終組織結(jié)構(gòu)則主要取決于冷卻方式．在隨爐冷卻、空冷和水淬條件下分別形成片層狀(α+β)相、魏氏組織和α′馬氏體組織[52]．

圖9 SLM成形的TC4構(gòu)件在熱處理前后的微觀組織[25]

Fig.9 Microstructures of the SLM-produced TC4 samples before and after heat treatment[25]: (a) before heat treatment; (b) heat treatment under 400 ℃/2 h; (c) heat treatment under 800 ℃/2 h

現(xiàn)階段選區(qū)激光熔化3D打印鈦合金成形件的熱處理基本上是直接沿用傳統(tǒng)鑄造和粉末冶金構(gòu)件的熱處理規(guī)程．而由于SLM成形件的初始組織結(jié)構(gòu)特征與傳統(tǒng)工藝相差較大，現(xiàn)有的熱處理工藝難以充分發(fā)揮選區(qū)激光熔化成形件的力學(xué)性能．因此有必要開發(fā)適用于SLM的專用熱處理制度．目前隨著選區(qū)激光熔化技術(shù)的不斷發(fā)展，集3D打印成形、加工、熱處理于一體的混合增材制造系統(tǒng)有望得到推廣應(yīng)用．

3 SLM 3D打印鈦合金及其復(fù)合材料的力學(xué)性能特點(diǎn)

3.1 強(qiáng)度與塑性

如前所述，通過(guò)SLM工藝直接成形的鈦合金主要由大量細(xì)小的針形α′馬氏體組成．因此，其拉伸強(qiáng)度明顯高于傳統(tǒng)工藝制備的構(gòu)件，而大量硬脆相α′馬氏體的存在也往往導(dǎo)致其延伸率較低，未經(jīng)任何后續(xù)處理的SLM成形件，其塑性指標(biāo)通常難以達(dá)到常用的鑄件和鍛件標(biāo)準(zhǔn)[53-54]．

在相變溫度以下進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚砗?，SLM成形件的強(qiáng)度略有降低，但塑性可以得到明顯改善，其延伸率通?？梢蕴嵘?0%以上，從而表現(xiàn)出較為優(yōu)異的綜合性能．此外，Xu等[25]未采用后續(xù)熱處理，僅通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)，利用SLM工藝自身往復(fù)熔覆沉積對(duì)已熔覆沉積層進(jìn)行充分的退火和回火熱處理，實(shí)現(xiàn)成形和熱處理一體化，已生成的α′馬氏體發(fā)生原位分解形成超細(xì)的(α+β)片層狀結(jié)構(gòu)，從而得到兼具優(yōu)異強(qiáng)度(屈服強(qiáng)度≥1 100 MPa)和塑性(延伸率≥11%)的SLM構(gòu)件．

如表3所示，3種常見的高能束流3D打印技術(shù)制備的構(gòu)件強(qiáng)度均可達(dá)到ASTM工業(yè)用鑄件和鍛件標(biāo)準(zhǔn)．由于3D打印過(guò)程中層層堆積的成形特點(diǎn)，其拉伸性能均表現(xiàn)出一定的各向異性．與SLM構(gòu)件相比，LMD和SEBM成形件拉伸強(qiáng)度略低，但塑性更優(yōu)．這是因?yàn)長(zhǎng)MD工藝過(guò)程中冷卻速率相對(duì)較低、生成的晶粒尺寸較為粗大．而SEBM設(shè)備具有較高預(yù)熱溫度，可有效避免硬脆相α′馬氏體的生成．

在SLM過(guò)程中，通過(guò)原位反應(yīng)將高強(qiáng)高硬度的陶瓷增強(qiáng)相引入鈦基體后，由于鈦基體晶粒的細(xì)化以及陶瓷相的增強(qiáng)效應(yīng)，鈦基復(fù)合材料的強(qiáng)度會(huì)顯著提高，如表3所示．雖然塑性有所下降，但其綜合力學(xué)性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)工藝制備的鈦基復(fù)合材料．這可能與SLM過(guò)程中形成的獨(dú)特納米級(jí)增強(qiáng)體形貌及均勻彌散的分布特征有關(guān)．

表3 不同工藝制備的鈦合金及其復(fù)合材料的室溫力學(xué)性能

注：a堆積方向；b垂直于堆積方向

3.2 疲勞性能

SLM構(gòu)件的表面質(zhì)量、微觀組織、內(nèi)部缺陷以及殘余應(yīng)力等是影響其疲勞性能的主要因素，疲勞源往往出現(xiàn)在構(gòu)件的外表面或次表面(如構(gòu)件內(nèi)部未熔融顆粒，圖8(c))[62-64]．目前對(duì)于SLM成形件疲勞性能的研究主要集中于TC4合金．如前所述，SLM成形TC4構(gòu)件的微觀組織主要是針形α′馬氏體，且構(gòu)件內(nèi)部殘留未熔融粉末以及微孔等內(nèi)部缺陷往往成為應(yīng)力集中和疲勞裂紋萌生的場(chǎng)所，容易導(dǎo)致構(gòu)件早期失效．經(jīng)過(guò)相應(yīng)的表面處理(拋光、噴砂、噴丸處理等)和熱處理后， SLM構(gòu)件的耐疲勞性能明顯提升[65-67]，如圖10所示．

如圖11所示[68]，未經(jīng)處理的SLM試樣外側(cè)存在許多由粗糙外表面引起的層狀裂紋等缺陷．這些脆性不規(guī)則結(jié)構(gòu)的存在，使其產(chǎn)生疲勞破壞的應(yīng)力循環(huán)周次很低．經(jīng)過(guò)表面拋光處理后，表面裂紋減少，應(yīng)力循環(huán)周次提高了近3倍．但由于試樣內(nèi)部存在大量孔隙等組織缺陷，其耐疲勞性能仍遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)鍛件水平．而經(jīng)過(guò)熱等靜壓處理后的SLM試樣，其耐疲勞性能可與傳統(tǒng)鍛件相當(dāng)(圖11(d))．

此外，Xu等[69]研究發(fā)現(xiàn)，與ASTM標(biāo)準(zhǔn)中熱等靜壓處理的鑄件相比，含有典型針狀α′馬氏體組織的TC4構(gòu)件的疲勞性能表現(xiàn)較差．而通過(guò)調(diào)整SLM工藝參數(shù)，將α′馬氏體原位分解為超細(xì)(α+β)片層組織后，其耐疲勞性能得到大幅提升．

由此可見，SLM這一工藝過(guò)程本身所引入的固有缺陷對(duì)成形件的疲勞性能起到?jīng)Q定性作用．雖然通過(guò)適當(dāng)?shù)暮筇幚砜梢栽谝欢ǔ潭壬咸嵘淠推谛阅?，但目前還大都難以達(dá)到傳統(tǒng)鑄鍛件水平．尤其是對(duì)于一些不能在其所有表面上進(jìn)行后續(xù)加工的復(fù)雜部件，在設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮表面質(zhì)量對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響．但隨著SLM設(shè)備的發(fā)展和工藝的不斷優(yōu)化， SLM構(gòu)件孔隙率將不斷降低，這將大大改善其疲勞壽命．

圖10 不同工藝制備的TC4合金的疲勞性能[65]

4 SLM 3D打印鈦合金及其復(fù)合材料構(gòu)件工程應(yīng)用研究

如前所述，選區(qū)激光熔化3D打印的鈦合金及其復(fù)合材料具有獨(dú)特的組織結(jié)構(gòu)特征和優(yōu)異的力學(xué)性能，隨著該技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，在兼顧精確成形和高性能成形需求的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件直接制備方面呈現(xiàn)出巨大潛力．而3D打印技術(shù)本身所具有的自由實(shí)體成形特點(diǎn)，也為輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和產(chǎn)品的個(gè)性化定制提供了全新的思路．

4.1 航空航天用關(guān)鍵構(gòu)件的控形控性制造

新型航空航天裝備中使用的鈦合金產(chǎn)品通常結(jié)構(gòu)復(fù)雜、性能要求高，且在設(shè)計(jì)中更加注重采用精密復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)件，傳統(tǒng)的鑄鍛焊和機(jī)加工工藝已難以滿足其設(shè)計(jì)和制造要求．因此，通過(guò)粉體設(shè)計(jì)與制備-成形件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-SLM成形工藝參數(shù)優(yōu)化-成形件組織與力學(xué)性能評(píng)價(jià)的一體化研究，選區(qū)激光熔化3D打印技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)力學(xué)性能優(yōu)于鑄件和粉末冶金制品的高復(fù)雜性關(guān)鍵構(gòu)件的直接制造．由于零件采用整體制造，可以提高零件的整體性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，從而提高零件的可靠性．

目前包括空客、GE航空發(fā)動(dòng)機(jī)等在內(nèi)的國(guó)外多家大型航空企業(yè)都投入大量資金進(jìn)行相關(guān)研究并取得重要進(jìn)展．如圖12(a)所示，空客公司采用SLM 3D打印技術(shù)制備出TC4鈦合金支架結(jié)構(gòu)件，并將其應(yīng)用于最新A350-XWB型飛機(jī)上，目前已通過(guò)EASA及FAA適航認(rèn)證．2017年3月，空客公司還將一個(gè)采用SLM 3D打印的擾流板促動(dòng)器閥塊(圖12(c))安裝到了旗艦客機(jī)A380上，并于3月30日順利完成首次飛行測(cè)試，這是空客在其客機(jī)上安裝的首個(gè)3D打印的主飛行控制液壓元件．在國(guó)內(nèi)，江蘇無(wú)錫飛而康科技攻克了SLM 3D鈦合金大型薄壁件常見的應(yīng)力開裂和型面變形等問(wèn)題，其生產(chǎn)的多個(gè)3D打印鈦合金零部件分別應(yīng)用在C919大飛機(jī)前機(jī)身和中后機(jī)身的登機(jī)門、服務(wù)門以及前后貨艙門上，助力C919在2017年5月實(shí)現(xiàn)首飛．

圖12 SLM 3D打印的鈦合金結(jié)構(gòu)件

Fig.12 Titanium alloy structural components fabricated by SLM 3D printing:(a) airbus A350-XWB brackets;(b) GE Aviation Aircraft Engine brackets made by topology optimization design ; (c) spoiler actuator valve block of Airbus A380; (d) titanium alloy insert for satellite connection

此外，輕量化設(shè)計(jì)在航空航天和國(guó)防領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值．構(gòu)件的輕量化設(shè)計(jì)一方面可以通過(guò)采用輕質(zhì)材料來(lái)實(shí)現(xiàn)，另一方面則可以通過(guò)基于3D打印的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如打印出三維空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、異形拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)、中空夾層/薄壁加筋結(jié)構(gòu)以及一體化復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)等．GE航空與3D Systems公司合作，通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化輕量化設(shè)計(jì)，采用SLM 3D打印技術(shù)制備了飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)支架(圖12(b)所示)，在滿足負(fù)載要求的同時(shí)，其質(zhì)量相比傳統(tǒng)零件減輕了70%．2016年10月，比利時(shí)3D打印企業(yè)Materialise與數(shù)字化服務(wù)公司Atos合作，采用SLM 3D打印技術(shù)研制出一種衛(wèi)星用鈦合金螺套插入件(圖12(d))．該部件是一個(gè)高負(fù)荷的零件，其內(nèi)部采用晶格結(jié)構(gòu)．與傳統(tǒng)方式制造的實(shí)體插入件相比，該部件在減重66%的同時(shí)，機(jī)械性能也得以提高．

4.2 生物醫(yī)學(xué)用鈦基植入體的個(gè)性化定制

鈦合金及其復(fù)合材料因其高比強(qiáng)度、優(yōu)良的生物相容性和較低的彈性模量(與骨骼接近)而廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域．由于醫(yī)用金屬制件個(gè)性化程度較高，且具有小批量、形狀復(fù)雜等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的制造方式很難滿足要求．基于數(shù)字化、柔性化、可設(shè)計(jì)的SLM 3D打印技術(shù)則非常適合制備生物醫(yī)用鈦合金構(gòu)件，為個(gè)性化醫(yī)療提供了可能性．德國(guó)亞琛大學(xué)附屬醫(yī)院Hollander等[70]研究發(fā)現(xiàn)，采用SLM 3D打印TC4鈦合金脊椎骨植入體在人體內(nèi)具有較好的生物相容性．澳大利亞埃迪斯科文大學(xué)Zhang等對(duì)β型醫(yī)用鈦合金Ti2448進(jìn)行了SLM 3D成形工藝研究，可直接制備出致密度99%以上的復(fù)雜形狀髖臼窩植入體[71]和支架樣件[72]．

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)于SLM 3D打印技術(shù)的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究也開展了大量工作．華南理工大學(xué)楊永強(qiáng)教授課題組通過(guò)個(gè)性化顱骨修復(fù)設(shè)計(jì)，采用 SLM 3D打印技術(shù)成形了基于形控單元函數(shù)映射的多孔TC4鈦合金顱骨修復(fù)體并試用于臨床．第四軍醫(yī)大學(xué)唐都醫(yī)院聯(lián)手西安鉑力特公司利用SLM 3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了鈦合金胸骨的定制，并將其成功植入胸骨腫瘤患者體內(nèi)，實(shí)現(xiàn)病變胸骨的整體置換，(圖13(b)所示)．3D打印胸骨參數(shù)與理論值基本一致，且兩側(cè)分布有金屬3D打印特有的多孔結(jié)構(gòu)，使肌肉、肌腱等軟組織貼附和骨長(zhǎng)入率大幅提高．2018年2月7日，華鈦三維與南方醫(yī)院脊柱骨外科聯(lián)合莫納什大學(xué)增材制造研究中心合作的首例3D打印個(gè)性化“人工椎體/腰間盤”植入手術(shù)成功實(shí)施．

作為增材制造技術(shù)中的新成員， SLM 3D打印技術(shù)在鈦合金及其復(fù)合材料方面的工程應(yīng)用研究尚不到10年，目前在該領(lǐng)域還缺乏完善的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，對(duì)航空航天用高性能構(gòu)件的地面考核尚未系統(tǒng)展開，在生物醫(yī)學(xué)植入體應(yīng)用方面仍缺乏相關(guān)的認(rèn)證許可．

圖13 SLM3D打印的鈦合金生物醫(yī)學(xué)用植入體

Fig.13 Titanium alloy biomedical implants fabricated by SLM 3D printing: (a) cranial implant; (b) sternal replacement; (c) scapula implant; (d) Ti2448 alloy acetabular fossa implant

5 展 望

作為一種新型的激光增材制造技術(shù)，選區(qū)激光熔化3D打印技術(shù)在近幾年得到迅速發(fā)展，在設(shè)備制造方面，SLM設(shè)備朝著多光束、集成化、大尺寸成形和高效率制造方向發(fā)展，在材料制備方面，對(duì)鈦合金、鋁合金、不銹鋼和高溫合金等展開了廣泛研究，尤其是對(duì)鈦合金的研究較為深入，目前主要側(cè)重于通過(guò)改變SLM工藝參數(shù)和后續(xù)熱處理來(lái)調(diào)控SLM成形件的組織和性能，部分構(gòu)件已經(jīng)在航空航天和生物醫(yī)療領(lǐng)域獲得了初步應(yīng)用，但由于選區(qū)激光熔化3D打印鈦合金及其復(fù)合材料涉及復(fù)雜的冶金、物理、化學(xué)和熱力耦合等問(wèn)題，且各工藝參數(shù)之間的相互匹配關(guān)系非常復(fù)雜，目前尚有許多關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題和技術(shù)問(wèn)題有待進(jìn)一步研究突破，主要包括以下幾方面．

1)進(jìn)一步研究SLM成形過(guò)程中激光束與粉體的交互作用機(jī)理以及激光熔池的非平衡冶金機(jī)制，控制球化效應(yīng)、孔洞、熔合不良和微裂紋等內(nèi)部缺陷.

2)解析SLM成形過(guò)程中組織結(jié)構(gòu)和殘余應(yīng)力的演化規(guī)律，深入理解SLM結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)韌化機(jī)理，建立并完善“材料制備-組織結(jié)構(gòu)-性能”之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系.

3)系統(tǒng)研究面向航空航天和國(guó)防等特殊服役環(huán)境應(yīng)用的SLM成形件的低周疲勞性能和高溫力學(xué)性能，揭示其失效機(jī)制.

4)開發(fā)適用于SLM工藝的鈦基復(fù)合材料專用粉末，深入研究SLM快速熔化和凝固過(guò)程中材料的原位反應(yīng)機(jī)理及其對(duì)組織結(jié)構(gòu)與性能的影響規(guī)律.

5) 基于理論計(jì)算-實(shí)驗(yàn)-數(shù)據(jù)庫(kù)一體化的新技術(shù)路線，推進(jìn)SLM 3D打印技術(shù)在材料基因組計(jì)劃條件下高通量成分設(shè)計(jì)、制備和熱處理工藝等方面的優(yōu)化研究，為實(shí)現(xiàn)對(duì)成形件成分、組織結(jié)構(gòu)與性能的精確調(diào)控和高效低成本制備奠定理論與技術(shù)基礎(chǔ)．