撰稿 | 曹晟（曼徹斯特大學）

　　作為一種先進增材制造技術，選區激光熔化/激光粉末床熔融（SLM/LBPF）由于其成形件精度高、表面質量好、性能優良而受到廣泛關注。

　　在激光粉末床熔融技術的應用中，α+β雙相鈦合金因其比強度高、耐高溫、耐腐蝕、生物相容性好、可焊性優異（成形件無裂紋）等特點，在航空航天、海洋工程、軍事裝備與生物醫療等眾多領域都有著大量應用。

　　然而，該技術還面臨著致密度低與組織性能各向異性較嚴重等問題，以及針對高強高韌需求與高強高斷裂韌性抗蠕變需求的微觀組織設計難題。

　　為此，澳大利亞莫納什大學吳鑫華教授（澳大利亞技術科學與工程院院士、莫納什大學副校長）（人物簡介>>>）團隊對目前已報道的激光粉末床熔融制備Ti-6Al-4V（我國牌號：TC4）工作進行了總結綜述，包括成形工藝、成形質量、微觀組織演化與性能調控等方面，并且為激光粉末床熔融制備雙相鈦合金有待探索的領域指明了探究方向。

圖1 3D打印技術在先進制造領域的應用

　　該綜述以 Review of laser powder bed fusion (LPBF) fabricated Ti-6Al-4V: process, post-process treatment, microstructure, and property 為題發表在 Light: Advanced Manufacturing。

　　在這篇綜述論文中，主體內容分為三個方面：

　　（1）激光粉末床熔融工藝:

圖2 選區激光熔化/激光粉末床熔融（SLM/LBPF）技術示意圖

　　圖2為選區激光熔化/激光粉末床熔融（SLM/LBPF）技術示意圖。在成形過程中，工藝參數與掃描策略對缺陷形成、殘余應力和表面質量都有著極大的影響。如圖3所示，通過合理的工藝參數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均可引入不同類型的缺陷。

　　圖3 (a)選區激光熔化/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原始β柱狀晶中α’馬氏體組織、退火態的α+β片層組織、固溶時效態的α+β雙片層或雙態組織，與熱等靜壓態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，在雙相區固溶時效（α+β STA）處理中，固溶溫度與時間可極大影響初生α相的組織特征。

　　圖4 雙相區固溶時效（α+β STA）處理固溶溫度與時間對初生α相組織特征的影響。

　　(3) 微觀組織與性能之間的關系:

　　這一部分著重總結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、熱處理態與熱等靜壓態片層組織中α片層厚度與屈服強度之間的Hall-Petch關系；圖5b為馬氏體組織、α+β片層組織與雙態組織的力學性能分布，可見雙態組織在拉伸性能上擁有高強高韌的特點。

　　圖5 微觀組織對力學性能的影響。(a)不同狀態的試樣中，微觀組織與屈服強度之間的Hall-Petch關系；（b）不同微觀組織的試樣中屈服強度與斷后延伸率的分布。

　　與傳統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獲得高強度/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）理想狀態下，LPBF制備鈦合金在制備復雜形狀零件和縮短生產周期方面具有很大優勢。然而，目前的技術應用與上述優勢還存在一定的差距。例如，LPBF技術固有的表面粗糙度和內部缺陷需要后續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的微觀組織，導致了較高的拉伸強度和高周疲勞強度。然而，細晶組織不利于斷裂韌性和抗蠕變性能的提高。因此，針對如何獲取高強高斷裂韌性抗蠕變的微觀組織需要對后續熱處理進行進一步研究。

　　(4）與片層組織相比，雙態組織擁有高強高韌的特點。此外，雙態組織還有著較高的高周/低周疲勞強度與較低的疲勞裂紋擴展速率。為獲取雙態組織，打印后續熱處理通常采用α+β STA固溶時效處理，但這必然會導致初生與次生α相之間存在的固溶元素含量與強度的差異，因此需對其進一步開展研究。

　　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曹晟博士，合作者包括曼徹斯特大學鄒逸超博士與莫納什大學Chao Voon Samuel Lim博士。