引言

钛合金因拥有比强度高、耐侵蚀性好、密度幼、热强度高、低温机能好、弹性模量幼、生物相容性良好蹬着点，而在航空航天、刀兵工业、核能设备、石化设备、医疗器械等领域得到大量利用[1,2]。对于钛合金，传统的加工方式重要为:铣削、铸造、轧造、挤压、拉拔等，但由于钛合金拥有较低的热导性和较低的体积比热以及较高的高温强度，使得钛合金传统加工方式出产周期长、出产成本高、加工难度大，大大限度了钛合金在工业出产上的利用[3,4]。出格是在航空航天领域，随着轻量化设计及对成本管控要求的越来越高，有关零部件的内部结构和表观设计越来越复杂，这对传统的加工造作方式提出了更高的挑战，甚至无法实现加工造作[5]。

近几十年成形并获得急剧发展的增材造作技术，能够轻松突破钛合金在传统加工方式中存在的局限性。激光选区溶解技术(Selective Laser Melting，简称SLM)作为增材造作领域最具代表性的技术，因拥有成形精度高、成形零件致密度高、良品率高、造作适应性强等特点，在钛合金有关的高端设备造作领域获得宽泛利用[6]。SLM技术道理如图1所示:首先利用分层切片软件获得零部件每一层的截面信息和扫描轨迹，而后以激光为热源，激光振镜系统在推算机的节造下凭据获得的截面信息和扫描轨迹逐层选择性地使金属粉末急剧溶解后凝固结晶，逐层堆积最终形成所必要的零部件[7-9]。SLM增材造作钛合金技术是近些年急剧发展起来的一项技术，国内表好多科研工作者针对这一领域发展了大量钻研工作，只管该项技术在贸易化利用方面还处于起步阶段，但也获得了大量钻研成就[10-12]。本文就针对近几年的最新钻研成就，组织机能、造作结构及后处置等几个方面加以总结，以推进对该技术的钻研，推动该项技术更快、更宽泛地走向产业化。

1、增材造作工艺的钻研

对于SLM技术增材造作钛合金工艺的钻研，世界列国的学者发展了大量工作，钻研内容重要聚焦在增材造作工艺参数对增材造作产品精度、表表粗糙度、致密度等的影响方面。钻研对象重要涉及到激光功率、扫描速度、单层铺粉厚度等重要参数，对于次要工艺参数:光斑大幼、扫描蹊径、成型方向、支持增长等则钻研较少[13-15]。随着对SLM技术钻研的深刻以及SLM技术的进取，对于钛合金SLM增材造作工艺的钻研提出了更多工艺参数以及更科学的工艺参数。内江大学的邵海龙等人[16]通过节造激光功率、扫描速度、单层铺粉厚度构筑单层单熔路，对比了线能量密度和体能量密度对钛合金成形质量的影响，建改了体能量密度的推算步骤。同时，也证了然体能量密度相对线能量密度对SLM增材造作钛合金成形质量拥有更缜密的有关性，更适合作为评定增材造作成形质量的关键工艺参数。

为了提高SLM增材造作产品的尺寸和造作速度，最近几年又出现了双光束SLM技术、多光束SLM技术。双光束SLM技术和多光束SLM技术的出现又引入新的工艺参数，例如:拼接挨次、扫描挨次、扫描蹊径、激光数量等[17]；锌萍即笱У馁鼙ｈ宥员茸暄辛说ス馐⑺馐⑺墓馐鳶LM增材造作钛合金过程中，拼接宽度、扫描方向、扫描战术、扫描宽度等工艺参数对成形质量的影响，这为多光束SLM增材造作工艺的利用和工艺优化打下了基础[18]。

为了进一步提高SLM技术增材造作钛合金的机能，部门钻研人员还提出了在增材造作的过程中增长加强相的工艺步骤。例如阿迪理工学院的Bonthala等人[19]通过在钛合金SLM增材造作的过程中增长生物硅石加强相的方式，显著提高了增材造作钛合金的机械机能。哈尔滨工业大学的安奇[20]等人通过使用少量的TiB₂颗粒在原位造备了TiB菱形晶(TiBw)加强的Ti6.5Al2.5Zr1Mo1V复合伙料，通过调整工艺参数不仅能够提高钛合金的强度，同时还能提高致密度。浙江海洋大学的李振华团队和程玉龙团队向SLM增材造作迪胙合金平别离增长了分歧含量的CeO₂、分歧含量的Y₂O₃,了局批注增长适量的两种化合物能够显著提高钛合金的强度和耐磨性[21,22]。

从以上钻研成就来看，近些年对于SLM技术增材造作钛合金工艺的钻研，重要还是集中在增材造作工艺的改进和工艺参数的优化方面[23,24],对于工艺参数影响成形质量的机理方面的钻研还比力少,这不利于从底子上解决成形质量缺欠的问题。

2、组织机能的钻研

2.1增材造作钛合金组织机能的钻研

随着SLM增材造作钛合金技术在工业出产中的利用，越来越多的钻研人员将钻研沉点聚焦在增材造作钛合金的组织机能方面。对于钛合金组织的钻研重要是:增材造作合金的结晶组织、组织散布、物相含量及散布、晶粒尺寸、晶粒状态及组织缺点(空地、未熔合、裂纹、残存应力)等;对于钛合金力学机能的钻研重要是:强度、硬度、委顿机能、磨损机能以及力学机能的各向异性等方面[25-30]。美国能源部的Isuri等人[31]重要钻研了SLM增材造作钛合金Ti-5553(Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr)的微观结构、维氏硬度以及电化学机能，并对比钻研了表表处置(打磨和抛光)前后钛合金样品的耐侵蚀性。了局批注，打磨和抛光处置能够提高钛合金样品的耐侵蚀性。西班牙马拉加大学的安德烈斯等人[32]通过拉伸试验、双缺口拉伸试验和埃里森杯形试验等伎俩钻研了SLM增材造作钛合金Ti6Al4V的延展性，批注增材造作迪胙合金样品的延展性低于轧造钛合金的延展性，同时指出后热处置能够提高增材造作钛合金样品的延展性。

由于钛合金拥有优良的生物相容性，有些学者还针对SLM增材造作钛合金的生化机能进行了钻研。中南大学的ZhuMZ等人[33]针对SLM增材造作的Ti-3Cu合金的耐侵蚀性和抗菌性进行了钻研。钻研了局批注，相对CP-Ti合金，Ti-3Cu合金的耐侵蚀性和抗菌性均都较高。石勒苏益格-荷尔斯泰因大学医学院的Hendrik等人[34]针对SLM增材造作的NiTi钛合金在骨内和骨膜下利用时的生物相容性进行了钻研，批注SLM增材造作的NiTi合伙料拥有优良的生物相容性，合用于骨内和骨膜下的种植。

近几年，有关学者还对比了分歧增材造作技术造备迪胙合金组织机能的差距。墨西哥国立自治大学的Liliana等人[35]针对电子束溶解(ElectronBeamMelted，简称EBM，技术道理如图2所示)增材造作技术和SLM增材造作技术造备的Ti-6Al-4V合金的微观组织结构和机能进行了对比钻研，结构批注两种方式造备的Ti-6Al-4V合金内a相和β相的含量相当，但EBM造备的样品晶格参数更大、屈服强度更高、耐侵蚀性更好。美国劳伦斯利弗莫尔国度尝试室的Bertsch等人[36]对比钻研了EBM和SLM两种分歧方式增材造作迪胙合金微观组织特点与资料变形、失效机理之间的关系，了局批注EBM增材造作迪胙合金孔隙率更低，同时还证了然相散布和孔霞度是资料屈服强度和失效应变最重要的影响成分。北京科技大学的徐伟等人[37]对比钻研了SLM增材造作和激光金属沉积(LaserMetalDeposition，简称LMD)增材造作钛合金Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V(TA15)的侵蚀机能和磨损机能，并与传统的铸造钛合金进行了比力，其钻研了局批注SLM增材造作的TA15钛合金,比LMD造作的TA15钛合金和铸造的TA15钛合金拥有更好的耐磨性和耐侵蚀性。

从以上钻研了局能够看出，当前对于SLM增材造作钛合金的钻研还重要局限于静态机械机能的钻研及尝试室前提下组织机能的钻研，对于服役状态的动态组织演变和机械机能的钻研还比力少。例如，对钛合金部件在高温、低温、侵蚀等刻薄服役前提下的组织演变、机械机能的钻研等，这些钻研对于推动SLM增材造作钛合金在工业出产上利用大有裨益。

2.2工艺参数对组织机能影响的钻研

SLM增材造作钛合金的组织机能与增材造作的工艺参数亲昵有关，因而好多学者针对增材造作的工艺参数对钛合金的组织机能的影响发展了大量钻研。钻研中涉及到的工艺参数重要有激光功率、扫描速度、能量密度、层厚等，重要钻研了这些工艺参数对增材造作钛合金的显微组织、力学机能、致密度、粗糙度、耐侵蚀性等机能的影响[38,39]。福建理工大学的刘晨等人{40}通过数值仿照与尝试相结合的方式钻研了SLM增材造作TC4钛合金时熔融轨迹沉叠率对钛合金致密度和力学机能的影响，两种钻研方式都证了然过幼的熔融轨迹沉叠率会降低钛合金的致密度，过大的熔融轨迹沉叠率会降低钛合金的强度。该钻研成立了熔融轨迹沉叠率和SLM增材造作钛合金成形质量的关系，这为以来利用数值仿照的方式预测SLM增材造作钛合金的成形质量提供了最原始的数据模型。

怀化学院的方军等人[41]钻研了SLM增材造作化硅颗粒加强钛合金复合伙料时，扫描功率对钛合金复合伙料机械机能的影响。了局批注，在肯定扫描功率领域内，钛合金复合伙料的机械机能随着扫描功率的增大而有所改善。当扫描功率超过某个阈值后，钛合金复合伙料的机械机能会急剧恶化。对于分歧扫描功率和扫描速度的组合对SLM增材造作钛合金的组织机能的影响，长沙理工大学、韩国工业技术钻研院、资阳航空大学、首都航天机械的科技工作者都进行了深刻钻研。钻研了局批注分歧的扫描功率和扫描速度的组合对SLM增材造作钛合金的致密度和机械机能会产生显著影响[42-45]。为了综合思考扫描功率和扫描速度的对增材造作钛合金成形质量和组织机能的影响，土耳其马尼萨·切拉尔·巴亚尔大学、郑州轻工业大学等单元的

有关学者选取能量密度来综合衡量两者的影响。了局批注能量密度能够综合衡量扫描功率和扫描速度对SLM增材造作钛合金的成形质量和组织机能的影响[46,47]。以上钻研对于改善SLM增材造作钛合金的成形质量和组织机能提供了肯定的钻研方向，但是目前好多钻研成就还没有形成拥有肯定共识度的结论，工艺参数对SLM增材造作钛合金组织机能的影响还必要进一步深刻钻研。

3、增材造作结构的钻研

为了适应航空航天、医疗器械等行业的特殊必要，有关科技工作者针对SLM增材造作钛合金结构发展了大量钻研。为了满足产品轻量化设计的要求，设计人员提出了沉量轻、刚度大、能量吸收效能高、力学机能好的多孔金属。多孔金属重要分为有序的点阵结构和无序的泡沫化结构两类[48,49]；饕皆旱睦钭匙车热薣50]利用SLM技术增材造作了一种职能梯度的大孔钛合金支架，如图3所示。该支架拥有74%-86%的孔隙率，能够很好地仿照松质骨的天然密度梯度，且弹性模量和屈服强杜纂松质骨的个性极度相近。因而，这种结构迪胙合金支架的钻研开发为腔隙性骨缺损方面的建复提供了更多可能；锌萍即笱А⒆恃艉娇沾笱У鹊ピ猍51,52]针对分歧杆径、尺寸、杆间夹角的点阵结构的SLM增材造作钛合金的能量吸收率、压缩模量、延长率等机能进行了钻研，这些钻研为开发能量吸收率更好、力学机能更优迪胙合金结构指了然方向。

加拿大西安粗略大学的Khaled等人[53]为了进行下颌骨的建复和移植，选取SLM技术增材造作了均匀迪胙合金多孔性结构，如图4所示，并对其内部缺点、表表粗糙度及机械机能进行测试，了局证明该结构的弹性模量和强杜纂下颌骨一样，这项钻研若能成功利用于临床，将可以为患者提供急剧的定造化结构的下颌骨移植。罗马尼亚燃气轮机钻研所的Mihaela等人[54]在造作燃气轮机叶片的时选取SLM增材造作了带有内部冷却通路的燃气轮机叶片，如图5所示。通过仿照的方式获得了增材造作的最佳方向，并对增材造作的精度、表表粗糙度、孔隙、裂纹、未熔合缺点等进行了检测，了局批注以上参数都满足设计要求。该项工作的发展为燃气轮机叶片的冷却和轻量化钻研提供了新的思路。

4、增材造作后处置工艺的钻研

为了提高SLM增材造作钛合金的组织机能，有关科技工作者针对增材造作迪胙合金发展了各类后处置工艺钻研，重要蕴含:通例热处置、化学热处置、机械处置等几方面。

4.1通例热处置的钻研

对于SLM增材造作钛合金通例热处置钻研最多的重要是退火、固溶、时效三种工艺。中国核动力钻研设计院、中国科学院金属钻研所、上海航天精密机械钻研所、沉庆大学等单元都对SLM增材造作迪胙合金发展了退火工艺的钻研，钻研的沉点重要是退火温度及保温功夫对增材造作钛合金物相组成、微观组织、力学机能的影响以及退火过程中组织演变法规[55-60]。这些钻研的发展为增材造作钛合金的热处置工艺提供了原始数据堆集，同时也能够推动SLM增材造作钛合金在航空航天等刻薄服役环境下的工业利用。中国科学院金属钻研所、中国航发北京航空资料钻研院、辽宁工程技术大学等单元针对SLM增材造作钛合金发展了固溶、时效处置的钻研。钻研了局批注，随着固溶温度的升高，钛合金的抗拉强度和屈服强度逐步降低，而延长率逐步升高。相对固溶处置，经过期效处置后迪胙合金强度显著提高，延长率有所降落，同时也证明时效时温度不宜过高，不然容易导致强化成效的降低[61-64]。

除了以上钻研，上海工程技术大学的王明辉等人和上海海事大学的赵元涛等人针对SLM增材造作的TC4钛合金，发展了热处置温度对微观组织结构、残存应力、强度、塑韧性、委顿机能的影响的钻研。钻研了局批注，随着热处置温度的升高，钛合金的强杜仔所降低，但委顿机能能够得到显著提升[65,66]；锌萍即笱У奈氖婪宓热薣67]则针对SLM增材造作镍钛(NiTi)状态影象合金，发展了热处置温度对物相、相变温度、显微硬度和力学机能的影响的钻研。其钻研了局批注，通过调整合理的热处置温度，能够调控该合金的相变温度，也能够提高该合金的力学机能。沈阳理工的大学的李玉海等人[68]钻研了SLM增材造作的TC4钛合金低和善高温双沉热处置对其断裂韧性的影响。了局批注，低温热处置能够解除增材造作钛合金的内应力，预防高温热处置过程中产生显著变形。高温热处置能够通过改善钛合金的显微组织，改善钛合金的断裂韧性，从而实现增材造作钛合金的强韧性匹配。以上这些通例热处置伎俩，不仅能够改善SLM增材造作钛合金的显微组织，同时也能够改善钛合金的强度、塑韧性、委顿机能等，有效推动了SLM增材造作钛合金在工业出产上的利用。

4.2机械处置的钻研

SLM增材造作钛合金只管拥有诸多利益，但通过SLM技术增材造作迪胙合金零件仍存在表表质量欠佳，必要借助肯定的机械加工方能满足使用要求的问题，尤其对于一些高精密的微型零部件，单纯依附SLM增材造作技术无法达到设备必要的表表光洁度和尺寸精度。为了提高SLM技术增材造作迪胙合金零件的表表光洁度和尺寸精度,有关学者提出了微铣削的后处置工艺。香港理工大学的Muhammad等人[69,70]针对SLM技术增材造作的TC4钛合金发展了资料微观组织结构(例如晶粒结构、晶粒取向)与微铣削之间的关系。

钻研了局批注，相对铸造钛合金的微观组织，SLM技术增材造作迪胙合在微铣削时拥有更好的机加工机能，加工获得的零件表表拥有更好的光洁度，加工过程对刀具的磨损也更幼。

为了改善SLM增材造作钛合金零件的表表粗糙度和委顿机能，芬兰坦佩雷大学的Amanov等人[71]提出了激光冲击强化(LaserShockPeening，简称LSP)和超声纳米晶表表改性(UltrasonicNanocrystalSurfaceModification，简称UNSM)的后处置技术，钻研了两种分歧的后处置技术及两种技术分歧的组合处置挨次(LSP+UNSM和UNSM+LSP)对SLM增材造作钛合金晶粒尺寸、残存应力、机械机能、摩擦机能、硬度等机能的影响。了局批注:相对经LSP处置迪胙合金样品，经UNSM处置迪胙合金样品表表光洁度更好、机械机能和摩擦机能更优，UNSM+LSP技术组合对SLM增材造作钛合金的处置成效优于UNSM+LSP技术组合。西北工业大学的张琦等人[72]还提出选取超声喷丸(ultrasonicshotpeening，简称USP)技术来对SLM增材造作钛合金进行后处置。处置了局批注，经过USP处置后SLM增材造作钛合金表表为残存压应力，显微硬度显著提高，耐侵蚀机能得到提升。以上这些极度规的机械后处置伎俩，对于改善SLM增材造作钛合金的最终使用机能，拓展其利用领域提供了新的钻研思路。

4.3化学处置的钻研

SLM增材造作钛合金在航空航天、生物医疗等领域拥有辽阔的利用远景，但这些行业对零部件的委顿机能和耐侵蚀机能都提出了较高的要求。这就要求这些零部件拥有更优的表表状态，且这些零部件大多拥有复杂的内部结构，通例的车、铣、磨等加工伎俩就无法满足表表处置的要求。为相识决这一问题，中国科学院金属钻研所的蔡雨升等人[73]提出选取化学侵蚀的方式来改善SLM增材造作钛合金的表表粗糙度。选取的侵蚀液为HF/HNO3的混合液，其钻研了局批注，通过调整混合液的比例、侵蚀功夫等参数能够降低表表粗糙度，同时对基体尺寸的影响也较幼。澳大利亚昆士兰大学的Soro等人[74]针对SLM增材造作TC4钛合金也发展了化学侵蚀后处置的钻研。其钻研了局批注，该步骤能够成功去除表表未齐全溶解的粉末，同时削减增材造作过程产生的梯度效应，该钻研成就能够大大推动SLM增材造作钛合金在生物医疗器械行业的利用。

5、总结与瞻望

5.1存在的问题

随着SLM技术的进取以及航空航天、生物医疗器械、核电设备、石化设备等领域对钛合金需要的急剧的增长，SLM增材造作钛合金近些年得到急剧发展，但在SLM增材造作钛合金的钻研中还存在如下问题:1)SLM增材造作钛合金技术还处于起步阶段，有关的技术还不够成熟，尤其在工业出产利用方面，该技术还远远不能满足工业出产的必要。例如:超薄钛合金零部件的增材造作，高表表光洁度钛合金零部件的造作，大尺寸、超大尺寸钛合金零部件的造作，超低内应力钛合金零部件的造作等，目前的技术仍存在很大局限性。2)当前对于SLM增材造作钛合金有关理论的钻研相对于工程利用方面还比力滞后。例如，近日我国159厂航天增材公司成功研造出60光束超大尺寸增材造作设备，但SLM增材造的理论钻研还处于单激光或者双激光的阶段。3)增材造作工艺参数对于钛合金样品组织机能的影响的钻研还不够深刻，只管好多学者针对该问题发展了大量钻研工作，但都局限于工艺参数对增材造作钛合金组织机能的影响方面，对于工艺参数影响增材造作钛合金组织机能的机理的钻研还不够深刻，有关的钻研成就也没有形成统一的结论，且对于若何通过调整增材造作工艺参数来提高增材造作钛合金的组织机能也没有提出合理的建议和改进方向。4)对于SLM增材造作钛合金后处置工艺的钻研还不够深刻，尤其是对改善表表粗糙度、尺寸精度、委顿机能、耐侵蚀机能等方面后处置工艺的钻研还比力幽微，既没有形成肯定规模的钻研成就，也没有获得拥有代表性且处置成效优良、质量不变的后处置工艺。5)针对SLM增材造作钛合金的钻研目前还局限于单一合金的钻研，对于异种合金、梯度钛合金的SLM增材造作的钻研，暂未见有关钻研成就。6)针对分歧迪胙合金，目前还没有形成专门的增材造作工艺数据库或者统一的工艺尺度，这不利于SLM增材造作钛合金行业的急剧、健康发展。

5.2远景瞻望

针对当前SLM增材造作钛合金钻研中存在的问题，在未来的钻研工作中能够沉点发展以下几方面的工作:

1)加强SLM增材造作钛合金方刻下瞻技术的钻研，力争让有关的理论钻研领跑工程利用方面的钻研，同时工程利用方面的成就反推理论成就的钻研，最终推进SLM增材造作钛合金技术在工业出产中的利用。

2)针对超薄钛合金零部件的增材造作，高表表光洁度钛合金零部件的造作，大尺寸、超大尺寸钛合金零部件的造作，超低内应力钛合金零部件的造作等发展技术攻关，通过这些技术的突破，扩大SLM增材造作钛合金的利用领域。

3)加强增材造作工艺参数对增材造作钛合金产品组织机能影响机理的钻研，为改善增材造作钛合金产品组织机能提供理论凭据和改进方向。

4)加强对SLM增材造作钛合金后处置工艺的钻研，开发能够显著改善钛合金产品表表粗糙度、尺寸精度、委顿机能、耐侵蚀机能的后处置工艺。

5)发展异种钛合金、钛合金/异种金属、梯度资料的增材造作钻研，以满足越发复杂的服役环境。

6)针对常见迪胙合金，开发尺度的SLM增材造作工艺数据库，形成统一的增材造作工艺尺度。

总之，SLM增材造作钛合金拥有辽阔的利用远景，只管目前该技术在理论钻研和工程利用方面还处于起步阶段，但在未来随着越来越多的科研工作者投入到该项工作中，经过技术迭代、优化、升级，SLM增材造作钛合金在航空航天等高端设备造作领域将阐扬越来越沉要的作用。

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（注，原文标题：激光选区溶解增材造作钛合金钻研进展及瞻望_刘自刚）