引言(yan)
钛合金具(ju)有(you)比强度(du)高(gao)、密度(du)低、耐(nai)腐蚀、耐热性(xing)能好以及(ji)生(sheng)物相(xiang)容性优异等优点(dian)，被广(guang)泛(fan)应(ying)用(yong)于(yu)航(hang)空航天(tian)、新能(neng)源及(ji)生(sheng)物(wu)医(yi)疗领(ling)域[1-2]。 但(dan)是(shi)，钛(tai)合金具有锻(duan)造(zao)温(wen)度区(qu)间(jian)窄(zhai)、变形(xing)抗力大、组织(zhi)性(xing)能对生产环境(jing)敏感等(deng)工艺特征，使(shi)用(yong)传(chuan)统工(gong)艺生(sheng)产(chan)加(jia)工钛合金构件(jian)时存(cun)在生(sheng)产工艺(yi)复(fu)杂、生(sheng)产(chan)效率低(di)、材(cai)料利(li)用(yong)率(lv)低(di)、加工(gong)成本(ben)高[3-4]等(deng)缺点(dian)。 近年(nian)来(lai)，增材(cai)制(zhi)造技术(shu)的(de)发展(zhan)为钛合金构(gou)件(jian)的生产制造提(ti)供(gong)了(le)全(quan)新(xin)的(de)思路(lu)[5]，该(gai)技(ji)术无需(xu)配套零件(jian)模(mo)具(ju)，通过逐(zhu)层堆垛的方(fang)式制造实体零件(jian)[6]，可以有效减(jian)少(shao)工(gong)序，降(jiang)低(di)生(sheng)产(chan)成(cheng)本(ben)，具(ju)有(you)广(guang)阔的(de)发展前景[7-9]。 相(xiang)比于(yu)传统的(de)加(jia)工方式，增材(cai)制(zhi)造(zao)在成型(xing)原(yuan)理(li)、原(yuan)料(liao)形(xing)态以(yi)及制(zhi)件(jian)性能等(deng)方(fang)面发(fa)生了根本性(xing)转(zhuan)变，被认为(wei)是(shi)制造业的一次(ci)革命(ming)性突(tu)破(po)。 金(jin)属材(cai)料(liao)的增材(cai)制(zhi)造根(gen)据(ju)热(re)源的(de)选(xuan)取不(bu)同可以(yi)分为电弧(hu)增(zeng)材(cai)制(zhi)造(zao)（ Wire arc additive manufac-ture，Waam）、激(ji)光(guang)增(zeng)材(cai)制造(zao)（ Laser additive manufacturinG，Lam）以(yi)及电(dian)子束(shu)增材制造(zao)（eLectron Beam additive manufac-ture，eBam）等技(ji)术(shu)[10]。 其中(zhong)电弧(hu)增材(cai)制(zhi)造技术(shu)以(yi)电(dian)弧(hu)作(zuo)为(wei)热(re)源，采用(yong)逐(zhu)层(ceng)堆(dui)焊(han)的方式制(zhi)造实(shi)体(ti)零(ling)件(jian)，因(yin)具(ju)有加(jia)工成本(ben)低(di)、沉积效率(lv)高等优点[11]而被(bei)广泛(fan)地(di)应(ying)用于钛(tai)、铝等金(jin)属(shu)材料的增材制(zhi)造(zao)。 Waam方法(fa)及概(gai)念的(de)提(ti)出可以追(zhui)溯到(dao) 1925年，ＹanG等(deng)[12]使用简(jian)单(dan)的(de)电弧(hu)焊接沉积了金属的花托和(he)装饰(shi)性收(shou)纳篮。 在(zai)钛(tai)合金电弧(hu)增(zeng)材制造(zao)中，由(you)于(yu)逐层(ceng)堆(dui)垛(duo)过程(cheng)中(zhong)会(hui)经(jing)历(li)多(duo)次(ci)热循环(huan)，凝(ning)固(gu)过(guo)程金属(shu)过(guo)冷(leng)度(du)高，温度变化大(da)，高(gao)温 β相(xiang)会转变(bian)为不(bu)同(tong)形态(tai)的 α相(xiang)，包括(kuo)马(ma)氏(shi)体 α′、马氏体(ti)α″、针(zhen)状 α、晶界 α和(he)网(wang)篮(lan)状(zhuang)组织(zhi)等。 这(zhe)些不均(jun)匀的(de)微(wei)观组织(zhi)及脆性(xing)相(xiang)容(rong)易形成(cheng)裂(lie)纹(wen)，影响(xiang)整个(ge)构件的(de)力学性(xing)能[13-14]。 为改(gai)善电(dian)弧(hu)增材(cai)制(zhi)造钛(tai)合金的(de)微(wei)观组织及提(ti)高其(qi)力(li)学(xue)性能，国内外(wai)学(xue)者(zhe)通(tong)过(guo)优(you)化(hua)加(jia)工(gong)工(gong)艺(yi)与(yu)冶金等方式(shi)对(dui)钛合金(jin)增(zeng)材组(zu)织(zhi)进(jin)行调(diao)控(kong)。 maLinov等[15]发现，通过(guo)不同的(de)热处(chu)理，钛(tai)合(he)金(jin)中 α、α′、α″和 β相的(de)比例会有(you)所(suo)不同(tong)；何(he)智(zhi)等[16]研究了超(chao)声(sheng)冲(chong)击(ji)对(dui)电(dian)弧(hu)增(zeng)材制(zhi)造钛(tai)合(he)金(jin)零件组(zu)织和(he)性能(neng)的(de)影响(xiang)，发(fa)现(xian)超声(sheng)冲击能够(gou)使晶粒(li)破(po)碎为(wei)细(xi)小的(de)等(deng)轴晶，并(bing)且随着(zhe)冲击次数的增(zeng)多，试样的抗拉(la)强度(du)有(you)所提(ti)高(gao)；mereddｙ 等(deng)[17]通过在电弧(hu)增材制造钛(tai)合(he)金(jin)时(shi)添(tian)加硅元素(su)发(fa)现(xian)，随(sui)着硅(gui)添加量(liang)的增加(jia)，晶(jing)粒尺(chi)寸(cun)逐(zhu)渐(jian)减(jian)小(xiao)。
当(dang)前(qian)，钛合(he)金的(de)电弧增材(cai)制造方法(fa)及微观组(zu)织(zhi)调(diao)控(kong)逐渐(jian)成(cheng)为研(yan)究(jiu)热点，学者(zhe)们(men)围绕(rao)着(zhe)新型(xing)方法、增(zeng)材制(zhi)造(zao)后(hou)处理以(yi)及增(zeng)材(cai)过程(cheng)实时调(diao)控等(deng)方面进(jin)行了(le)大(da)量研究(jiu)，但(dan)是系统(tong)性(xing)的(de)综述(shu)报道还很少(shao)，缺少对当(dang)前(qian)研究工(gong)作的(de)总(zong)结(jie)与(yu)展望(wang)。 本文(wen)针(zhen)对(dui)钛合金电(dian)弧增(zeng)材制(zhi)造工艺方法(fa)及微(wei)观(guan)组(zu)织(zhi)调(diao)控(kong)，首先介(jie)绍了(le)不同的(de) Waam 系(xi)统(tong)，并对(dui)不同钛(tai)合金(jin)电弧增(zeng)材(cai)制(zhi)造(zao)方
法(fa)进(jin)行了介绍(shao)与(yu)对(dui)比(bi)分(fen)析，提(ti)出(chu)了(le)钛(tai)合金电(dian)弧(hu)增(zeng)材制造所(suo)面临的主要问(wen)题和难点(dian)，在此基础(chu)上(shang)重(zhong)点(dian)综述了(le)当(dang)前(qian)用于调控(kong)材(cai)料组(zu)织(zhi)及性能(neng)的(de)几种辅助(zhu)工艺(yi)，最(zui)后(hou)对钛(tai)合金电弧增材(cai)制(zhi)造的(de)未(wei)来发(fa)展(zhan)进(jin)行了展望。 本文可(ke)为钛(tai)合(he)金(jin)电弧增材(cai)制(zhi)造(zao)技术(shu)提(ti)供(gong)基(ji)础(chu)研究(jiu)思路，为高效、高质(zhi)量(liang)钛(tai)合(he)金增(zeng)材(cai)制造件(jian)的开发与应用提供(gong)技(ji)术参考，对推(tui)动(dong)该技术(shu)的(de)进一步应(ying)用(yong)具有(you)重(zhong)要意义(yi)。
1、钛(tai)合金(jin)电(dian)弧(hu)-丝(si)材(cai)增材(cai)制(zhi)造工艺
Waam系(xi)统(tong)由(you)热源(yuan)、自动(dong)送(song)丝系(xi)统、数(shu)控(kong)工(gong)作台或机(ji)器(qi)人(ren)系统(tong)组成。 当(dang)前 WaaW主(zhu)要(yao)基于传(chuan)统焊接电弧(hu)进行(xing)优化改造(zao)，按照(zhao)热(re)源及(ji)送(song)丝方式的不(bu)同，Waam 主(zhu)要(yao)分(fen)为三(san)种工艺：以钨极气(qi)体保(bao)护焊(han)（Gas tunGsten arc WeL-dinG，GtaW）为热(re)源的(de)旁轴(zhou)送丝增(zeng)材制造(zao)技术(shu)、以等(deng)离子(zi)弧焊(han)（ PLasma arcWeLdinG，PaW）为热源的旁(pang)轴(zhou)送(song)丝(si)增材(cai)制造技(ji)术(shu)和以(yi)熔化(hua)极气体(ti)保(bao)护焊（Gas metaL arc WeLdinG，GmaW）为(wei)热源的同轴(zhou)送丝增(zeng)材制(zhi)造(zao)技术(shu)，其特(te)性(xing)如(ru)表 1所(suo)示[18]。
1.1 基于 GtaW的(de) Waam工(gong)艺(yi)
基(ji)于 GtaW的电(dian)弧增材制造技术(shu)利(li)用(yong)钨(wu)电(dian)极(ji)和(he)基板之(zhi)间(jian)产生的电弧来熔化(hua)焊(han)丝，按照(zhao)设(she)定的(de)路(lu)径(jing)逐层沉积实体零(ling)件，如(ru)图 1所(suo)示(shi)[19]。 在(zai)沉积(ji)过(guo)程(cheng)中，送(song)丝(si)方向影响材(cai)料(liao)传(chuan)输和(he)沉积(ji)质量，可(ke)采用(yong)后(hou)送丝、侧送(song)丝、前送(song)丝等(deng)不(bu)同(tong)方(fang)式，钛(tai)及(ji)钛(tai)合(he)金的(de)增(zeng)材制造(zao)通常(chang)采(cai)用(yong)前送丝(si)。 随着(zhe)电(dian)弧(hu)长(zhang)度(du)的(de)增(zeng)加(jia)，屏(ping)蔽(bi)喷嘴(zui)与工件(jian)之间(jian)的距离相应(ying)增(zeng)加。 BaufeLd等[20-22]在(zai)GtaW热源(yuan)制备(bei)的电(dian)弧(hu)增(zeng)材制造(zao) tc4钛(tai)合金中(zhong)发现(xian)，其(qi)组织(zhi)为(wei)粗大(da)的(de)外(wai)延(yan)生(sheng)长 β柱(zhu)状(zhuang)晶(jing)，并(bing)且当(dang)焊(han)接(jie)方向(xiang)发生(sheng)改变(bian)后(hou) β柱状(zhuang)晶(jing)的(de)指向(xiang)也(ye)发生(sheng)改(gai)变(bian)，如(ru)图 2所(suo)示(shi)。 堆(dui)垛件(jian)的(de)顶(ding)部(bu)和(he)底(di)部的(de)组织也有(you)所不(bu)同，顶部冷却(que)速度较(jiao)快，组(zu)织为(wei)较(jiao)细(xi)小(xiao)的 α集束(shu)，底部(bu)在(zai)多(duo)次(ci)的(de)热循环作(zuo)用下，组(zu)织(zhi)为粗大的(de)网(wang)状 α 结构。 WanG等[23-24]也发(fa)现了(le)相(xiang)似(shi)的(de) β 柱(zhu)状晶(jing)组织(zhi)，并且研(yan)究(jiu)了(le)送丝速(su)度对焊后(hou)组(zu)织(zhi)转(zhuan)变的(de)影响。 当(dang)送(song)丝(si)速(su)度(du)增(zeng)加(jia)到一(yi)定(ding)程(cheng)度(du)时，柱(zhu)状 β 晶粒(li)最终(zhong)转(zhuan)变为(wei)等(deng)轴(zhou)晶。 WanG 等[23-24]和(he)BaufeLd等[20-22]也研(yan)究(jiu)了(le)电弧(hu)增材(cai)制造(zao)的钛(tai)合金(jin)的(de)力(li)学性能，发现(xian)钛合(he)金构件(jian)在(zai)沉积方向及(ji)焊(han)接(jie)方向上的力学性(xing)能(neng)存在各向异性。 其(qi)原(yuan)因是初(chu)生的(de) β相(xiang)贯(guan)穿整个(ge)试样(yang)外(wai)延生长，从(cong)而造(zao)成(cheng)各方(fang)向(xiang)上组(zu)织(zhi)与性(xing)能(neng)均(jun)存在差异。 钛(tai)合金(jin)增材制造(zao)件(jian)显(xian)微组(zu)织的(de)不(bu)均(jun)匀性(xing)与其(qi)力(li)学性(xing)能(neng)的(de)各(ge)向异性有(you)所(suo)关联(lian)，因(yin)此可(ke)以(yi)通过(guo)优化成(cheng)型工艺(yi)参数来获(huo)得组(zu)织(zhi)均匀(yun)的(de)钛(tai)合(he)金构(gou)件，弱化(hua)各(ge)向异(yi)性(xing)，提升其(qi)综合(he)力学性(xing)能。
1.2 基于 PaW的(de) Waam工艺
PaW增(zeng)材(cai)制(zhi)造(zao)技术使(shi)用等(deng)离(li)子弧(hu)作(zuo)为(wei)热源(yuan)进(jin)行(xing)增(zeng)材(cai)制造(zao)，等(deng)离(li)子弧具(ju)有(you)高(gao)电离度、高(gao)能量(liang)密度(du)、高流(liu)速(su)等(deng)特(te)点，通过(guo)热压(ya)缩和机械压(ya)缩(suo)等(deng)作(zuo)用(yong)，等(deng)离(li)子(zi)焊(han)接(jie)中(zhong)的电弧(hu)能(neng)量密(mi)度(du)可以达到(dao) GtaW的(de)三倍，且(qie)具(ju)有(you)电(dian)弧稳定、沉(chen)积(ji)速(su)度快(kuai)、成型(xing)质(zhi)量高(gao)等(deng)优点，图 3 是一种(zhong)基于 PaW 的 Waam 系(xi)统(tong)[25]。
martina等[26]利用(yong) PaW增材制(zhi)造方法制(zhi)备(bei)了 tc4 钛(tai)合金(jin)构件(jian)，并(bing)研究(jiu)了不同(tong)工(gong)艺参(can)数(shu)对(dui)钛合金成型特(te)征(zheng)及组织特(te)征的(de)影响(xiang)。 通过改善(shan)工(gong)艺获(huo)得了粗大 β柱(zhu)状(zhuang)晶(jing)粒(li)，并建(jian)立工(gong)艺(yi)参(can)数与堆(dui)垛(duo)件总壁(bi)宽、有(you)效(xiao)壁宽和(he)层(ceng)高(gao)之间(jian)的回归(gui)模型。 Lin等(deng)[27]研(yan)究(jiu)了(le)等(deng)离子弧(hu)增材(cai)制(zhi)造 tc4钛合(he)金(jin)的组(zu)织(zhi)演(yan)化与(yu)力学(xue)特征。 研(yan)究(jiu)表明(ming)，随(sui)沉(chen)积层数(shu)的增加，通(tong)过逐(zhu)渐(jian)减(jian)少电流以(yi)降(jiang)低热(re)输(shu)入(ru)，能(neng)够减(jian)小(xiao) β 晶(jing)粒尺寸(cun)，但(dan)是(shi) α 相在 β 晶粒内(nei)分布不均(jun)匀(yun)，存(cun)在(zai)针状(zhuang)马氏体(ti)和(he)魏氏(shi)体(ti)的(de)混合(he)组(zu)织(zhi)，并且(qie) α片(pian)层的宽度(du)与(yu)沉积(ji)高度(du)有一(yi)定(ding)联(lian)系(xi)。
1.3 基于(yu) GmaW的(de) Waam工(gong)艺
GmaW电弧(hu)增材(cai)制造(zao)技(ji)术(shu)是一种以(yi)熔(rong)化极气(qi)体(ti)保护焊为(wei)热(re)源(yuan)，将(jiang)丝(si)材均匀(yun)送(song)入熔(rong)池熔化(hua)并(bing)快速(su)凝固(gu)成(cheng)型的(de)增(zeng)材(cai)制造(zao)方法(fa)。 20世(shi)纪(ji) 90 年代，sPencer 等[28]提出了(le)采(cai)用 GmaW技术进(jin)行(xing)增材(cai)制造(zao)的方(fang)法来快速(su)成型金(jin)属模(mo)具。 但(dan)使用此(ci)方法(fa)时(shi)较(jiao)大(da)的(de)热(re)输(shu)入(ru)会导(dao)致材(cai)料存在较(jiao)大(da)的(de)残(can)余应力(li)，且焊(han)接(jie)过程中(zhong)飞(fei)溅(jian)、烟(yan)尘(chen)较(jiao)大(da)。 目前 GmaW 常采用(yong)冷(leng)金(jin)属过(guo)渡(du)（coLd metaL transfer，cmt）方(fang)法(fa)，这(zhe)是一(yi)种由(you) fronius 公司开(kai)发(fa)的脉冲短路(lu)焊接(jie)技术(shu)，cmt通(tong)过耦(ou)合(he)焊(han)接参数和焊(han)丝(si)移动(dong)确保(bao)受控熔滴转移(yi)，采用(yong)此(ci)种(zhong)工艺，能(neng)在(zai)较低的(de)热(re)输入下实(shi)现(xian)熔滴接触过渡，减(jian)少飞溅(jian)。 Gou 等(deng)[29]通(tong)过研(yan)究 cmt 电弧(hu)增(zeng)材(cai)制(zhi)造(zao)制(zhi)备(bei) tc4构件(jian)过(guo)程中(zhong)热输入(ru)对增材(cai)构件(jian)组(zu)织与性能的影响情况，发现(xian)一部(bu)分 α′马氏(shi)体组(zu)织由(you)于(yu)逐层(ceng)沉(chen)积(ji)的(de)热(re)循环(huan)过程(cheng)而转(zhuan)变为 α＋β 层状(zhuang)的(de)混(hun)合(he)物，且 α 晶粒中(zhong)出现了大量(liang)的位(wei)错。 张飞(fei)奇(qi)等(deng)[30]以(yi) tc4 钛合金丝材(cai)为(wei)原(yuan)料(liao)，采用(yong)cmt电(dian)弧(hu)增材制(zhi)造得到堆积(ji)层底部(bu)为(wei)柱状(zhuang)晶、顶(ding)部(bu)为(wei)等轴晶(jing)的(de)组织结(jie)构，在(zai)堆积区与熔合区(qu)均没有(you)马氏体(ti)相(xiang)。 值得注意(yi)的是，在使用 GmaW进(jin)行钛(tai)合(he)金的(de)增(zeng)材(cai)制(zhi)造(zao)时，会出现(xian)电(dian)弧漂(piao)移(yi)，并且(qie)获(huo)得的(de)表面很(hen)粗糙(cao)，因(yin)此(ci)对(dui)钛合金的电(dian)弧(hu)增材(cai)制(zhi)造，还(hai)是(shi)以 GtaW和(he) PaW两种(zhong)工(gong)艺(yi)为(wei)主(zhu)。
综上(shang)所(suo)述(shu)，对(dui)于(yu)钛合金(jin)电弧-丝(si)材增(zeng)材(cai)制造技(ji)术(shu)，GtaW、PaW和(he) GmaW三种(zhong)工艺各(ge)有(you)特点(dian)：GtaW工艺(yi)设(she)备简(jian)单，成本较低；PaW电弧能(neng)量密度(du)高(gao)，可(ke)以获得(de)变形较小且成(cheng)型良(liang)好的构件；在(zai) GmaW 工艺(yi)中，焊(han)枪(qiang)和(he)焊(han)丝(si)同(tong)轴(zhou)，简(jian)化了(le)路径生(sheng)成(cheng)过(guo)程(cheng)，其(qi)沉(chen)积(ji)速率是 GtaW 和(he) PaW 工艺(yi)的(de) 2 ～ 3 倍(bei)，但稳定(ding)性较(jiao)差(cha)。 cmt电(dian)弧(hu)增(zeng)材制(zhi)造(zao)方法(fa)能够(gou)精(jing)确控制热输入且(qie)实现较(jiao)高(gao)的堆(dui)积(ji)效率，将(jiang)成为(wei)未来制备(bei)钛(tai)合(he)金(jin)复(fu)杂大(da)型(xing)构(gou)件(jian)的(de)一(yi)种(zhong)有(you)效(xiao)方(fang)法。 Waam工艺还(hai)要与材料(liao)特性(xing)相匹配，零(ling)件(jian)的(de)精(jing)度要求(qiu)及(ji)结构复杂(za)情况(kuang)将(jiang)决(jue)定(ding) Waam 工(gong)艺(yi)的选(xuan)择。
对钛(tai)合(he)金来(lai)讲，GmaW会(hui)导致电(dian)弧漂移(yi)，影响(xiang)构(gou)件的成型质(zhi)量(liang)，GtaW和(he) PaW更(geng)适(shi)用于(yu)钛合(he)金(jin)，但(dan)由(you)于(yu)其(qi)采用(yong)外部送(song)丝(si)的(de)方(fang)式，增(zeng)材(cai)构(gou)件的(de)成(cheng)型(xing)质量(liang)主(zhu)要(yao)取(qu)决于堆垛(duo)过程中(zhong)的(de)送(song)丝与(yu)电(dian)弧(hu)的稳定性(xing)[32]，通过(guo)对(dui)送(song)丝(si)的控(kong)制，实现连(lian)续(xu)的搭(da)桥(qiao)熔(rong)滴过渡方(fang)式[33]，会获(huo)得成型良(liang)好(hao)的优(you)质零件(jian)。
2、电弧增材(cai)制造钛(tai)合金(jin)的(de)微(wei)观组织(zhi)调(diao)控(kong)
如(ru)前(qian)所(suo)述(shu)，Waam具(ju)有(you)成(cheng)本低(di)、生产(chan)效率(lv)高(gao)的(de)优(you)点(dian)。 然而，Waam制(zhi)造过(guo)程(cheng)中涉(she)及电弧(hu)热源下(xia)液(ye)态金属(shu)的(de)非平衡(heng)凝固(gu)[34]，前(qian)一道(dao)金属在(zai)逐层(ceng)堆(dui)垛过(guo)程中(zhong)，经(jing)历多(duo)次热循环(huan)，这(zhe)种(zhong)独(du)特(te)的(de)热特性(xing)会影(ying)响(xiang)增材构(gou)件的微观(guan)组织、力学性(xing)能(neng)和(he)残余(yu)应力(li)分布(bu)[35]，这(zhe)些问(wen)题(ti)严重(zhong)限制(zhi)了钛(tai)合金增(zeng)材(cai)制(zhi)造构(gou)件(jian)的(de)使(shi)用(yong)寿(shou)命和(he)应(ying)用范(fan)围(wei)。 因(yin)此(ci)，需(xu)要(yao)对增材制(zhi)造的钛合金进行(xing)组(zu)织调控(kong)以提升(sheng)其性能，当(dang)前主要有(you)两种(zhong)调控(kong)方式：一(yi)种(zhong)是(shi)在增材(cai)制造完成后对增(zeng)材(cai)件进(jin)行后(hou)处(chu)理(li)；另一(yi)种(zhong)是在(zai)增(zeng)材过(guo)程中的(de)实(shi)时调(diao)控。
2.1 钛合金增材件(jian)的后热(re)处理
大多(duo)数(shu) Waam制(zhi)造(zao)的钛(tai)合(he)金增(zeng)材件在(zai)垂直(zhi)（构(gou)建(jian)）方向(xiang)上(shang)的(de)强(qiang)度和(he)伸长(zhang)率均低于沉积(ji)方(fang)向，这是(shi)由于柱状(zhuang) β晶(jing)粒(li)通(tong)过为(wei)沉积方向上(shang)的(de)张力提(ti)供(gong)显著(zhu)的损(sun)伤(shang)累(lei)积(ji)路径(jing)来(lai)控(kong)制断(duan)裂行(xing)为(wei)[36]。 当沉积层(ceng)中(zhong)存(cun)在某(mou)些脆性相（如(ru)魏氏体(ti)相或(huo)针(zhen)状 α相）时(shi)，其(qi)延(yan)展(zhan)性较弱。 较大的柱状(zhuang) β晶(jing)有(you)助(zhu)于提(ti)升延展(zhan)性，但(dan)可(ke)能(neng)导致强度降(jiang)低(di)[37]。 通过(guo)使(shi)用适当(dang)的(de)热(re)处理(li)工(gong)艺，可以(yi)有(you)效地(di)控制(zhi)和调整(zheng)金属合(he)金所(suo)需的(de)微(wei)观结构(gou)和(he)力学(xue)性能，降(jiang)低焊后残(can)余应(ying)力，提高(gao)材(cai)料合(he)金的(de)组织均匀(yun)性和性能(neng)，提高构件的塑性及(ji)延长(zhang)构(gou)件的疲(pi)劳(lao)寿命(ming)[38]。 WautｈLe等(deng)[39]发现对(dui) tc4成型(xing)件(jian)进行(xing)去(qu)应力(li)热处(chu)理(li)可(ke)有效促(cu)进(jin) α′马(ma)氏体转(zhuan)变为平衡相(xiang) α 片晶。 Gou 等(deng)研(yan)究(jiu)发(fa)现(xian)，经(jing) 900 ℃和1 200 ℃热处理(li)后，马氏(shi)体(ti) α′相(xiang)全(quan)部转(zhuan)变(bian)为 α＋β相，且(qie)显(xian)著提(ti)升(sheng)组(zu)织的硬(ying)度(du)和延(yan)伸(shen)率。 BrandL等(deng)[40]采(cai)用高(gao)温固溶(rong)＋淬(cui)火(huo)＋退火(huo)热(re)处理(li)钛合(he)金堆(dui)垛(duo)件，发(fa)现 tc4堆(dui)垛(duo)件组(zu)织(zhi)中柱(zhu)状(zhuang) β晶(jing)大量转变(bian)为球(qiu)状(zhuang)，显著降(jiang)低(di)了材料的(de)各向异性。 多(duo)阶(jie)段(duan)后热处理工艺可生(sheng)产出强(qiang)度(du)和延展(zhan)性符(fu)合(he)要求的产品(pin)，但(dan)其(qi)缺(que)点(dian)是不(bu)经济且耗(hao)时，因(yin)此(ci)，通(tong)常采用单(dan)阶段后(hou)热处理(li)来提高(gao)塑性、增强(qiang)强(qiang)度、消除脆性(xing)相和细(xi)化(hua)晶(jing)粒（主(zhu)要针对(dui)柱状晶(jing)）。
2.2 层间(jian)冷却(que)
图 5为(wei)层间(jian)冷(leng)却(que)的 Waam 系(xi)统(tong)的示(shi)意(yi)图。 可(ke)移动气体喷(pen)嘴具有(you)提供(gong)氩气、氮气或 co2 气体的(de)功(gong)能，用于(yu)在(zai)每个(ge)沉(chen)积层(ceng)上(shang)提(ti)供主(zhu)动的强制冷(leng)却，该(gai)工(gong)艺(yi)可以(yi)控(kong)制钛(tai)合金(jin)层(ceng)间(jian)热(re)循环(huan)温度在一定范围内，使获(huo)得(de)的(de)钛合金具(ju)有(you)所需(xu)的(de)微观(guan)结构(gou)和(he)力学(xue)性(xing)能，有助(zhu)于(yu)提高(gao)钛(tai)合(he)金(jin)的(de)硬度(du)和机(ji)械强(qiang)度[41]。
ding等[42]的(de)研究表(biao)明(ming)，当(dang)使用(yong)压缩气体(ti)进行层间(jian)强制冷却来(lai)制造(zao) tc4薄(bao)壁结(jie)构时(shi)，层(ceng)间(jian)冷(leng)却减少了(le) tc4 表(biao)面氧化，细(xi)化(hua)了显微(wei)组(zu)织，提高了(le)硬度(du)和(he)强度(du)。 此(ci)外(wai)，由于沉(chen)积(ji)层(ceng)之(zhi)间的停留时(shi)间缩短，制造(zao)效(xiao)率显(xian)著(zhu)提高。
2.3 喷丸和(he)超(chao)声波(bo)冲击(ji)处理(li)
喷丸和超声(sheng)波(bo)冲(chong)击处理已被广(guang)泛应(ying)用(yong)于(yu)工业(ye)产品(pin)中(zhong)，这(zhe)两(liang)种技术(shu)都(dou)是(shi)使(shi)用高(gao)能介(jie)质冲击(ji)材料表(biao)面(mian)，通过在(zai)材(cai)料(liao)表面(mian)施(shi)加压缩(suo)应(ying)力，使零件(jian)中产生(sheng)弹(dan)性变形(xing)和塑(su)性变形(xing)，从而(er)细(xi)化表(biao)层(ceng)晶(jing)粒，使晶(jing)粒(li)取向(xiang)随机化，进而提高零件的机械(xie)强(qiang)度[43]。 经过超声波冲(chong)击(ji)处(chu)理后(hou)，Waam 制备(bei)的 tc4 零(ling)件(jian)的表面残(can)余应(ying)力可降低(di)至(zhi) 58％，显(xian)微硬(ying)度(du)可(ke)提(ti)高 28％。 此外(wai)，表面改性(xing)层经(jing)过(guo)塑(su)性(xing)变(bian)形，晶(jing)粒显著细化(hua)，位错(cuo)密集。ＹanG等(deng)[44]将 GtaW焊(han)枪与超声波冲(chong)击(ji)处理(li)头相(xiang)连来(lai)制造(zao) tc4构(gou)件，沉(chen)积过程结(jie)束后，立即在沉积件(jian)表(biao)面(mian)施加两次超(chao)声波(bo)冲(chong)击。 原有 β晶(jing)粒(li)的(de)宏(hong)观结(jie)构(gou)由粗化的柱状(zhuang)晶(jing)转变(bian)为(wei)等轴晶(jing)和(he)短柱(zhu)状(zhuang)晶(jing)的(de)交替分布(bu)。 Gou等[45]采(cai)用 GmaW进行 tc4钛合金增(zeng)材(cai)制造(zao)时(shi)添加(jia)超(chao)声波(bo)喷丸(wan)处(chu)理(li)，在每个(ge)电(dian)弧(hu)熄灭(mie)后(hou)从(cong)部(bu)件的(de)三个(ge)方(fang)向进(jin)行超声波(bo)喷丸(wan)，沉积(ji)的(de) tc4部件(jian)中柱(zhu)状(zhuang) β晶(jing)和次(ci)生 α晶(jing)粒(li)显著(zhu)细(xi)化(hua)。 超(chao)声波(bo)冲击处(chu)理(li)技(ji)术受到(dao)穿透(tou)深度(du)的(de)限(xian)制(zhi)，穿(chuan)透(tou)深度约为表面以下 60 μm。 因(yin)此(ci)，尽(jin)管(guan)这两(liang)种技术都是良好(hao)的(de)后机械(xie)处(chu)理，但(dan)它们(men)只能(neng)改(gai)善(shan)表(biao)面层的(de)材(cai)料(liao)性能，且(qie)作用(yong)范围(wei)有(you)限。
2.4 添(tian)加元素(su)冶(ye)金原位(wei)调控(kong)
热(re)处理(li)及(ji)机械处(chu)理(li)方法(fa)虽(sui)然在优化(hua)微(wei)观(guan)组(zu)织(zhi)、提(ti)高(gao)力学性(xing)能(neng)以(yi)及缓(huan)解残(can)余应(ying)力等方面(mian)起着关键(jian)作(zuo)用，但过程(cheng)较为繁(fan)琐，提(ti)高(gao)了(le)制造成(cheng)本(ben)，延(yan)长(zhang)了(le)制(zhi)造(zao)周期(qi)。 近(jin)年来(lai)，除(chu)了在(zai)工艺(yi)方法(fa)上(shang)调(diao)整(zheng)外，添(tian)加元素(su)冶金(jin)调控(kong)方(fang)法成(cheng)为前沿的(de)增(zeng)材制造调(diao)控方(fang)法。 在增(zeng)材(cai)制(zhi)造过(guo)程(cheng)中(zhong)引入(ru)元(yuan)素(su)，其(qi)一(yi)可以通过改变熔(rong)覆(fu)材料(liao)或(huo)者(zhe)使(shi)用(yong)送(song)粉器送入(ru)一(yi)定量(liang)粉(fen)末(mo)来(lai)添(tian)加(jia)，其二(er)可以(yi)通过(guo)改(gai)变(bian)保护(hu)气成分(fen)的方式(shi)引入元(yuan)素(su)。 BerminGｈam等[46]在(zai)tc4钛(tai)合金(jin)焊丝(si)表(biao)面(mian)涂(tu)抹了两(liang)种(zhong)不同(tong)配(pei)比的(de) B元素(su)熔覆(fu)层，发现 B元素(su)可(ke)以(yi)有效消(xiao)除(chu)钛(tai)合(he)金(jin) α晶界(jie)和团束(shu)组(zu)织，细(xi)小(xiao) α等轴晶也会有所(suo)增(zeng)加，降(jiang)低各(ge)向(xiang)异性(xing)，原(yuan)始柱(zhu)状 β 晶(jing)粒(li)也(ye)变得更(geng)加狭小(xiao)，微量(liang)元(yuan)素(su) B 的添(tian)加(jia)使其(qi)压缩塑性(xing)提升(sheng)约40％。
此外，添(tian)加(jia)微量的 nB、si、La2O3 等(deng)也(ye)可(ke)显(xian)著(zhu)细化(hua)晶粒[4749]。改变(bian)保护(hu)气(qi)成(cheng)分的方法就是(shi)利(li)用保护气氛(fen)与熔(rong)池(chi)发生冶金作用(yong)，实现组织(zhi)的(de)原(yuan)位强(qiang)化。 黄(huang)健康(kang)等(deng)采用(yong) GtaW 或(huo) PaW作(zuo)为(wei)热源(yuan)，在(zai)氩气保(bao)护(hu)气体(ti)中混入(ru)一定(ding)比例(li)的氮气来原(yuan)位(wei)生(sheng)成(cheng) tin增强(qiang)相[50-51]。 研究(jiu)结(jie)果表明(ming)，在(zai)氮气(qi)比(bi)例(li)较低(di)时(shi)组织中(zhong)形(xing)成(cheng)了 tin树(shu)枝晶(jing)，当不(bu)断增(zeng)加氮(dan)气(qi)比(bi)例(li)后(hou)树枝(zhi)状(zhuang)的 tin逐(zhu)渐(jian)转(zhuan)变(bian)为颗粒(li)状(zhuang)。 氮原子作用(yong)的(de)示(shi)意如图(tu) 6所示，氮气分(fen)子(zi)在(zai)高(gao)温(wen)下(xia)电离成(cheng)原(yuan)子(zi)态(tai)，在熔(rong)池表面(mian)吸(xi)附(fu)并(bing)扩(kuo)散至内(nei)部，最后(hou)与 ti原(yuan)子结合(he)生成 tin相。 对(dui)堆垛的钛合金材(cai)料(liao)进(jin)行(xing)力学(xue)性(xing)能测(ce)试发现，氮气(qi)流量(liang)的增加能够显(xian)著提(ti)升(sheng)材(cai)料的(de)抗压强度。 此(ci)外(wai)，ＨuanG等(deng)还研(yan)究了(le)在(zai)保(bao)护(hu)气中(zhong)混(hun)入(ru)CO2气体(ti)时的作用(yong)，发(fa)现(xian)在组(zu)织中生(sheng)成(cheng)了(le)大量(liang)的tiox和(he)tic相，且(qie)其含量(liang)随(sui)着CO2通入(ru)量(liang)增加(jia)而增(zeng)加。 因(yin)为 tioｘ 相(xiang)和 tic相(xiang)的存在，材(cai)料(liao)的(de)显(xian)微(wei)硬度和耐(nai)蚀性(xing)也(ye)有(you)所增加[52]。
3、展(zhan)望(wang)
近(jin)年(nian)来，市场(chang)对钛合(he)金增材(cai)制造(zao)产品(pin)的(de)需(xu)求(qiu)及(ji)质量(liang)要求越来(lai)越高，迫切(qie)需要(yao)提高(gao)钛合金增(zeng)材制造(zao)水准(zhun)。 钛(tai)合(he)金(jin)在逐层(ceng)堆垛(duo)过程(cheng)中(zhong)经(jing)历(li)多次热(re)循(xun)环，整个过(guo)程是一(yi)个(ge)非(fei)平(ping)衡热(re)过(guo)程，并且在增材(cai)制(zhi)造(zao)过程中(zhong)，材(cai)料往往(wang)存在(zai)复(fu)杂的(de)物(wu)理(li)化(hua)学冶(ye)金变(bian)化，以(yi)上(shang)过(guo)程(cheng)影响(xiang)因(yin)素众多，涉及材料(liao)、结构设(she)计、工(gong)艺(yi)过(guo)程(cheng)、后(hou)处理等(deng)诸(zhu)多因素，但当前的研(yan)究(jiu)工作仍主要(yao)集中(zhong)在材料(liao)组(zu)织分(fen)析(xi)、性能(neng)规律描述阶段(duan)，并(bing)未对(dui)冶(ye)金机(ji)理及(ji)理(li)论进行深入(ru)研究(jiu)，这(zhe)也(ye)使得增材制(zhi)造(zao)过(guo)程的(de)材(cai)料(liao)—工(gong)艺(yi)—组(zu)织—性能关(guan)系(xi)往往(wang)难以准确(que)把(ba)握(wo)，难以(yi)实(shi)现有(you)效(xiao)控(kong)制。 因
此(ci)，未来应进(jin)一(yi)步(bu)研究 Waam 工(gong)艺(yi)中(zhong)潜(qian)在的物(wu)理化学(xue)冶金机理，从而(er)为(wei)工艺(yi)优化以(yi)及(ji)组(zu)织(zhi)控(kong)制提(ti)供指(zhi)导。
另(ling)一(yi)方面(mian)，如(ru)何(he)对(dui)增(zeng)材(cai)制造工(gong)艺(yi)中的(de)残余应(ying)力(li)变(bian)形(xing)分布(bu)、成(cheng)型(xing)精度(du)和(he)微观(guan)组织(zhi)演(yan)变进行物(wu)理建(jian)模分析(xi)及(ji)预(yu)测(ce)仍(reng)是一个挑战，通(tong)过(guo)数值模拟技(ji)术可以大(da)大缩短试验周(zhou)期(qi)，有(you)效(xiao)验(yan)证试(shi)验(yan)中的相关基本理论(lun)，当前对(dui)微观(guan)组(zu)织演化的数(shu)值(zhi)分析及相关(guan)的(de)热(re)力(li)学(xue)动力(li)学计算的(de)研究(jiu)较少(shao)，已有(you)的数值(zhi)模(mo)型研究主(zhu)要(yao)集中于移(yi)动(dong)热(re)源(yuan)对熔池特(te)征、温度分布及(ji)柱状(zhuang)晶(jing)组(zu)织(zhi)的(de)影(ying)响(xiang)规律，但是随着数(shu)值分析(xi)手(shou)段的(de)不断完善和丰富(fu)，数(shu)值(zhi)模拟(ni)将在(zai)电(dian)弧(hu)增(zeng)材制(zhi)造领域发挥(hui)更大的(de)作用。 此外(wai)，人(ren)工智能(neng)也(ye)将在(zai) WaaW 加工过程(cheng)中(zhong)得到更(geng)多(duo)的应(ying)用(yong)。 例如(ru)：基于(yu)深度(du)学(xue)习的模(mo)式(shi)识(shi)别(bie)技术(shu)可(ke)以(yi)用(yong)来实现熔池(chi)分类(lei)、表(biao)面(mian)缺陷检测(ce)等(deng)信号(hao)分析；强(qiang)化(hua)学习可用(yong)于(yu)实现 Waam 的机器人(ren)路(lu)径(jing)自(zi)主(zhu)规(gui)划、参(can)数优(you)化和过程(cheng)控(kong)制；大(da)数据(ju)的概念(nian)将有助(zhu)于实现数据共(gong)享(xiang)和(he)处理(li)，从(cong)而改(gai)进(jin) Waam的 cad设计(ji)、工艺优化(hua)和质量控制(zhi)。
4、 结语
钛(tai)合金(jin)电(dian)弧增(zeng)材(cai)制造(zao)技(ji)术(shu)作(zuo)为先进的钛合金加(jia)工(gong)制(zhi)备技(ji)术(shu)，具(ju)有(you)较大(da)的(de)发展潜(qian)力(li)。 通过(guo)对国(guo)内外(wai)钛(tai)合(he)金增(zeng)材制造(zao)过(guo)程(cheng)中(zhong)的(de)工艺(yi)方法及微观组(zu)织调(diao)控的总结与(yu)对比分析，可获(huo)得(de)如(ru)下主(zhu)要(yao)结(jie)论(lun)：
（1）对于钛合(he)金电弧(hu)丝材(cai)增(zeng)材(cai)制(zhi)造技(ji)术，按(an)照热源(yuan)分(fen)类(lei)主(zhu)要(yao)有(you) GtaW、 PaW 和 GmaW 三(san)种(zhong)工(gong)艺(yi)。 对(dui)于(yu)钛(tai)合(he)金，GmaW会(hui)导致(zhi)电(dian)弧(hu)漂移，并且(qie)获(huo)得(de)的表(biao)面很(hen)粗(cu)糙(cao)。 当前(qian)对于钛(tai)合金(jin)的(de)电(dian)弧(hu)增材制造(zao)，还是以(yi) GtaW和(he) PaW两种(zhong)工(gong)艺为主。
（2） 钛合(he)金电弧增(zeng)材制(zhi)造的组织具(ju)有(you)一定(ding)的(de)不均匀(yun)性以(yi)及(ji)力(li)学(xue)性(xing)能(neng)的(de)各(ge)向(xiang)异(yi)性(xing)。 可(ke)以(yi)根据(ju)需(xu)要(yao)，选(xuan)择(ze)在增(zeng)材制(zhi)造过(guo)程中或增材制(zhi)造(zao)后借(jie)助辅助(zhu)工(gong)艺(yi)来优化钛合金(jin)的(de)组(zu)织及(ji)性能(neng)。 在(zai)增材制造后(hou)处理中，通过(guo)热处理来(lai)消(xiao)除(chu)脆(cui)性(xing)相(xiang)、细(xi)化晶粒(li)、降低各(ge)向(xiang)异(yi)性；另(ling)外，可以在增材制造(zao)过(guo)程(cheng)中进行组织(zhi)优(you)化，如(ru)使用层间冷(leng)却、喷丸和(he)超声波冲击(ji)、添(tian)加(jia)合(he)金(jin)元(yuan)素(su)等方(fang)式(shi)来(lai)改(gai)善钛合(he)金(jin)组织，其(qi)中，添(tian)加(jia)合(he)金元素(su)通过(guo)冶金调(diao)控的方(fang)式(shi)可以原位生(sheng)成(cheng)增(zeng)强(qiang)相，因其(qi)可以(yi)实时(shi)调(diao)控材(cai)料的(de)成分及组(zu)织(zhi)，将成(cheng)为(wei)未来钛(tai)合金增材(cai)制(zhi)造的(de)研究热点。
（3）电弧增(zeng)材(cai)制造(zao)钛合(he)金微观(guan)组(zu)织(zhi)的(de)调(diao)控(kong)已有一定(ding)研究(jiu)成果，但大(da)多(duo)还(hai)处于(yu)试(shi)验研(yan)究阶(jie)段(duan)，对深(shen)层(ceng)次(ci)的成型(xing)机(ji)理的研(yan)究(jiu)还有(you)所(suo)欠(qian)缺(que)。 因此，未来(lai)应进一(yi)步(bu)研究(jiu) Waam 工艺(yi)中(zhong)存在(zai)的物(wu)理(li)化(hua)学冶金机理，并(bing)结合数值模(mo)拟(ni)技(ji)术对微(wei)观组(zu)织(zhi)的(de)演化(hua)进行(xing)预(yu)测(ce)，以及借(jie)助人(ren)工(gong)智(zhi)能(neng)技(ji)术实(shi)现电(dian)弧(hu)增(zeng)材过程(cheng)的智(zhi)能(neng)化(hua)，这(zhe)将(jiang)有(you)助于推动 Waam在(zai)工业领域的(de)发(fa)展。
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