激光(guang)增(zeng)材(cai)制(zhi)造(zao)钛(tai)合(he)金微(wei)观(guan)组织和(he)力(li)学(xue)性(xing)能(neng)研究进(jin)展(zhan)

由于钛合(he)金(jin)有(you)着(zhe)比强度(du)较(jiao)高(gao)、生物相容性(xing)较好以(yi)及耐(nai)腐(fu)蚀(shi)性能好的优势(shi)，因此(ci)在全球范围(wei)内(nei)广泛应(ying)用(yong)于生(sheng)物(wu)医疗与(yu)航空(kong)领域(yu)[1-2]。主要使用(yong)的钛合金包括Ti6Al4V（TC4），TC4 是(shi)一种 α+β 型(xing)两(liang)相钛合金(jin)，因为其具(ju)有良好(hao)的强(qiang)度质量比和(he)出色(se)的(de)耐腐蚀性(xing)，这(zhe)种轻(qing)质(zhi)合金(jin)在(zai)重(zhong)载(zai)机身(shen)结构、喷气(qi)发(fa)动(dong)机、燃(ran)气轮(lun)机等(deng)领域(yu)占据主导地(di)位[3-4]。钛(tai)合(he)金材料需要(yao)在摩(mo)擦(ca)学(xue)与疲劳性能(neng)上进(jin)行(xing)改进，以满足(zu)其零部件在(zai)服役性能方(fang)面(mian)的(de)要求(qiu)，因此(ci)如(ru)何(he)制(zhi)备(bei)高(gao)性(xing)能钛(tai)合(he)金(jin)复杂结构件(jian)成(cheng)为(wei)制(zhi)造(zao)技术(shu)发展(zhan)的关键(jian)问(wen)题。

目前主(zhu)要的 2 种金属结(jie)构件制(zhi)造工(gong)艺与成形技术分(fen)别(bie)是(shi)等材(cai)制造工艺与减材制(zhi)造(zao)工(gong)艺。等材(cai)制造(zao)工(gong)艺是在加(jia)工过程(cheng)中(zhong)无需(xu)添加额(e)外(wai)的材料(liao)，以(yi)锻(duan)造、锻造(zao)附(fu)加焊接(jie)的(de)工(gong)艺(yi)为(wei)代(dai)表；减材制(zhi)造工(gong)艺是在(zai)加(jia)工过(guo)程(cheng)中(zhong)不(bu)断(duan)去除材(cai)料以得到最终(zhong)零(ling)件(jian)，主(zhu)要(yao)以车、铣(xi)、刨(pao)、磨(mo)等机(ji)械加工为代(dai)表(biao)。在传统的制造(zao)工(gong)艺过(guo)程中(zhong)，存(cun)在材料(liao)浪(lang)费(fei)、组织缺陷(xian)以(yi)及(ji)加(jia)工后(hou)表(biao)面质量差(cha)等问(wen)题(ti)，并(bing)且(qie)传(chuan)统(tong)锻(duan)造需(xu)要使(shi)用大(da)型的(de)锻压(ya)设备(bei)和专(zhuan)用夹(jia)具，严(yan)重(zhong)阻(zu)碍了(le)更深层(ceng)次的(de)发(fa)展[5-7]。增材制(zhi)造技(ji)术（AM）在 20 世(shi)纪(ji) 90 年代(dai)兴(xing)起(qi)，并(bing)自此(ci)不(bu)断发(fa)展(zhan)。

该技(ji)术(shu)使用了快速成(cheng)形(xing)技(ji)术“离散+堆积”的(de)增材(cai)制(zhi)造(zao)思(si)想，粉末(mo)原(yuan)料(liao)通(tong)过激(ji)光(guang)逐(zhu)层(ceng)熔(rong)覆(fu)，然后(hou)在零件(jian)表(biao)面生(sheng)成熔(rong)凝组(zu)织(zhi)，最(zui)后(hou)完成整(zheng)个实体(ti)零件的(de)建造[8]。它(ta)提(ti)供(gong)了(le)较(jiao)高的(de)设计(ji)自由(you)度和新型几(ji)何形(xing)状(zhuang)的(de)制造(zao)方(fang)法，并且在(zai)成形(xing)过程(cheng)中(zhong)不需(xu)要任(ren)何刀具或(huo)夹具(ju)，这(zhe)是(shi)传(chuan)统(tong)加(jia)工方(fang)法(fa)很难完(wan)成(cheng)的。

激光(guang)选(xuan)区(qu)熔化技(ji)术（SLM）和(he)激光(guang)熔(rong)化(hua)沉积技术（LMD）作为(wei)增(zeng)材(cai)制造(zao)技(ji)术(shu)中(zhong)的(de) 2 种(zhong)技术(shu)，由(you)于(yu)其制造(zao)的(de)钛(tai)合(he)金(jin)性能(neng)与锻(duan)件的(de)性能(neng)越来越接(jie)近，越来(lai)越(yue)多的技(ji)术(shu)人员了解(jie)并选择上述(shu) 2 种技(ji)术进(jin)行制造(zao)钛合(he)金零(ling)件(jian)[9-11]。在(zai) SLM 和(he) LMD 成形过程(cheng)中，无(wu)需(xu)添(tian)加(jia)任(ren)何(he)黏结(jie)材料(liao)，在(zai)高能激(ji)光束的(de)照射下，粉(fen)末(mo)经(jing)历了(le)从(cong)固(gu)态(tai)变为(wei)液(ye)态(tai)、再(zai)变为(wei)固(gu)态(tai)的非稳(wen)态(tai)的(de)相变过程(cheng)[12-14]。

由(you)于在成(cheng)形(xing)过程(cheng)中(zhong)局部环(huan)境(jing)的差异(yi)会导(dao)致(zhi)晶粒(li)的择优取(qu)向，且基体中会(hui)产(chan)生(sheng)大量(liang)的(de)晶体(ti)学缺陷，最终(zhong)产生的(de)孔(kong)隙(xi)与(yu)缺(que)陷会(hui)影(ying)响构(gou)件的力(li)学性(xing)能，制(zhi)约了上述2 种(zhong)技(ji)术的(de)发展(zhan)和应用。本文对钛合(he)金在 SLM 和LMD 技术成形过程中加(jia)工(gong)参(can)数(shu)、扫描(miao)策(ce)略等(deng)因素(su)对(dui)组(zu)织和力学(xue)性能的(de)影(ying)响进行了(le)比(bi)较，以及对(dui)工艺处理(li)后钛(tai)合(he)金微观(guan)组织和(he)力(li)学(xue)性(xing)能的(de)变化(hua)进行(xing)了总结。

1 、SLM 和(he) LMD 工(gong)艺原理

在 SLM 与(yu) LMD 成形过(guo)程中(zhong)，任(ren)何复(fu)杂(za)的(de)三维(wei)零(ling)件(jian)均可通过计(ji)算机划(hua)分为(wei)简(jian)单(dan)的(de)二维平面(mian)，并逐层(ceng)制造。这种(zhong)降(jiang)维制(zhi)造的(de)方式能够简化加(jia)工(gong)步骤，为复杂(za)精密(mi)的(de)金(jin)属(shu)零件(jian)提供了(le)较(jiao)好(hao)的(de)技术(shu)解(jie)决方案(an)[15]，2种增材制(zhi)造技术(shu)及其(qi)参数见图(tu) 1 和(he)表 1。

SLM 技术通过(guo)计(ji)算(suan)机(ji)定制(zhi)设(she)计 CAD 模型(xing)，将(jiang)三(san)维模(mo)型(xing)分为逐(zhu)层(ceng)二(er)维平(ping)面，刮(gua)板(ban)在基(ji)板(ban)上覆(fu)盖(gai)一层粉末原(yuan)料，利(li)用高能(neng)激(ji)光束(shu)作为(wei)热(re)源(yuan)，按(an)规(gui)划(hua)好(hao)的(de)路径照(zhao)射(she)粉(fen)末(mo)原料，使(shi)其(qi)发生熔(rong)化、凝固(gu)，形(xing)成(cheng)沉积层(ceng)[16-17]。

整(zheng)个成形过(guo)程(cheng)置于惰(duo)性(xing)气体(ti)保护氛围中(zhong)，常(chang)用的(de)惰性气(qi)体有氮(dan)气(qi)、氩气(qi)[18-19]。SLM 技(ji)术(shu)可(ke)以通过特(te)定的(de)支撑(cheng)结构(gou)制造(zao)复杂精(jing)密(mi)零(ling)件，同时(shi)提高了成形精(jing)度(du)，也解(jie)决(jue)了传(chuan)统减材(cai)和等材制造(zao)受限于零(ling)件(jian)复杂精密结(jie)构的(de)问(wen)题(ti)[20-21]。基于上述原理，SLM 技术(shu)具(ju)有以下(xia)优势(shi)，由(you)于其在(zai)基(ji)板上提(ti)前覆(fu)盖(gai)了金(jin)属(shu)粉末(mo)，在激光照射(she)、熔化粉末后(hou)，熔池周(zhou)围(wei)存在部分(fen)未(wei)完全熔(rong)化(hua)的粉(fen)末，可支(zhi)撑和固定(ding)中(zhong)部(bu)的(de)熔池。因(yin)此(ci)，从理论(lun)上而(er)言，该(gai)技术(shu)可以(yi)成形具(ju)有倾(qing)角(jiao)结构(gou)的零(ling)件。此(ci)外(wai)，由(you)于 SLM 技术的(de)铺(pu)粉(fen)厚度(du)可以(yi)小(xiao)于 LMD 技术的(de)沉积(ji)厚(hou)度，因(yin)此可(ke)以(yi)选择(ze)更(geng)小(xiao)的(de)激(ji)光光斑(ban)直(zhi)径(jing)，成形构(gou)件(jian)的(de)表(biao)面质量与(yu)尺寸(cun)精(jing)度(du)可(ke)以(yi)得(de)到(dao)提(ti)升。

与(yu) SLM 技术(shu)类(lei)似，LMD 技术也(ye)是通过(guo)计算机设计的(de) CAD 模(mo)型(xing)。激(ji)光会(hui)根据每(mei)层的加(jia)工数(shu)据(ju)在基(ji)板(ban)上移(yi)动，并且金属(shu)粉末(mo)通(tong)过喷嘴(zui)进(jin)料(liao)同(tong)步送到(dao)激光焦点处，对金(jin)属(shu)粉(fen)末(mo)进行(xing)熔(rong)化冷却(que)，整个(ge)成(cheng)形过(guo)程(cheng)置于惰(duo)性(xing)气(qi)体保(bao)护(hu)下(xia)进(jin)行(xing)[22-24]。由(you)于 LMD 技术(shu)采(cai)用(yong)同(tong)轴送粉的(de)方式，使(shi)其(qi)可以随时调整(zheng)粉末的配比(bi)，而(er)且(qie)加(jia)工速(su)度更(geng)快(kuai)，比较适(shi)合(he)制(zhi)造(zao)中(zhong)大(da)型(xing)金(jin)属零件。基于(yu)上述(shu)原理，LMD 技术(shu)主要具有的优(you)势(shi)，由于其(qi)采用(yong)同步(bu)送(song)粉(fen)，加(jia)工(gong)余量少，材料(liao)利用(yong)率高；其(qi)次(ci)激(ji)光能量(liang)密度(du)比(bi) SLM 技术更高，可(ke)复合(he)多种合金材料的成(cheng)形，以及制(zhi)造功能梯度(du)零件[25-26]。

综上所(suo)述，SLM 和(he) LMD 制造(zao)工艺(yi)均属于增材制(zhi)造(zao)的(de)热成形制造技(ji)术(shu)，能克服(fu)传(chuan)统(tong)加工(gong)制(zhi)造所遇到的(de)异形(xing)复(fu)杂(za)零件、特种(zhong)材(cai)料(liao)难(nan)加工(gong)的(de)问(wen)题(ti)，而(er)且(qie)也是“等(deng)材”和(he)“减(jian)材”加(jia)工工艺(yi)的补(bu)充(chong)。因此，SLM 和(he) LMD技(ji)术(shu)适用于新(xin)产(chan)品(pin)零(ling)件进(jin)行(xing)快速制造(zao)及其小(xiao)批(pi)量、个(ge)性(xing)化的(de)生产需(xu)求(qiu)，能满足(zu)航(hang)空航(hang)天(tian)、生(sheng)物(wu)医疗(liao)领(ling)域的服(fu)役性能要求(qiu)。

2、 成(cheng)形工艺参(can)数对组织和(he)力学性能影响(xiang)

TC4 钛(tai)合金在 SLM 和(he) LMD 增材制造过(guo)程时伴(ban)随着频(pin)繁的加(jia)热和(he)冷(leng)却过(guo)程(cheng)，导致(zhi)零件(jian)内部的(de)温(wen)度(du)梯度(du)较大，从而会(hui)导(dao)致金属零(ling)件的(de)热(re)变形不(bu)均(jun)匀(yun)，产(chan)生(sheng)残(can)余热应(ying)力(li)，因(yin)此(ci)在(zai)金(jin)属零件表面会(hui)出(chu)现裂(lie)缝、孔隙(xi)度大和(he)表面(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)差(cha)的情(qing)况。通(tong)过调(diao)整制造时(shi)机(ji)器的(de)加工方(fang)式和(he)工艺参数，可(ke)以(yi)在(zai)一(yi)定(ding)程(cheng)度上减(jian)少这些(xie)障(zhang)碍(ai)。参(can)数(shu)优化的研究主要(yao)集(ji)中在零(ling)件的力学性(xing)能(neng)与表(biao)面质(zhi)量上(shang)，最(zui)有效(xiao)的(de)工艺参数(shu)是激光(guang)功率(lv)、扫描(miao)速度、扫(sao)描(miao)间(jian)距(ju)、粉末(mo)层厚以及扫(sao)描角(jiao)度(du)等。这些(xie)参数的不同(tong)水(shui)平通(tong)过(guo)改(gai)变微观结构(gou)与(yu)相(xiang)变(bian)，从(cong)而改(gai)变(bian)材(cai)料(liao)的特性，呈现出表(biao)面粗(cu)糙(cao)度(du)、硬(ying)度(du)、静力学(xue)以(yi)及动(dong)态力学性能(neng)等(deng)方面的(de)差(cha)异[27]。除了这些工(gong)艺参(can)数(shu)各自的(de)影响(xiang)外，还(hai)有综合效应，通(tong)过输(shu)入(ru)能(neng)量密(mi)度(du)来表(biao)示(shi)，可用(yong)以式（1）定义。

式(shi)中(zhong)：E 为输入能量(liang)密(mi)度(du)，J/mm2；P 为激(ji)光(guang)功率(lv)，W；v 为扫描(miao)速度(du)，mm/s；H 为扫描间(jian)距(ju)，mm；e 为粉(fen)末(mo)厚(hou)度，mm[28]。除了(le)激(ji)光(guang)功率(lv)、扫(sao)描速(su)度(du)以(yi)及扫描间(jian)距(ju)包(bao)括在(zai)表面能量密(mi)度公式中，扫描角度与(yu)粉(fen)末层厚度(du)也(ye)是(shi)影(ying)响材(cai)料特(te)性的重(zhong)要(yao)参(can)数，因此(ci)分(fen)别(bie)讨(tao)论(lun)每(mei)个工艺参数(shu)对(dui)零(ling)件(jian)性能(neng)的影响(xiang)。

2.1 SLM 成形工艺参(can)数(shu)

2.1.1 激(ji)光(guang)功率

激光功率是(shi) SLM 成(cheng)形(xing)技术的(de)一个(ge)主要控(kong)制(zhi)参数，一般激(ji)光(guang)功率(lv)的(de)变化(hua)会影响粉(fen)末(mo)原(yuan)料(liao)熔(rong)化程度(du)、表(biao)面(mian)的(de)孔洞(dong)数(shu)量(liang)以(yi)及成(cheng)形(xing)样品的(de)表(biao)面质量。杨(yang)立(li)军(jun)等(deng)[28]使用不同(tong)的(de)激光(guang)功(gong)率（120~200 W）进(jin)行(xing)了样(yang)品(pin)成(cheng)形，成(cheng)形(xing)件(jian)的孔(kong)隙(xi)率(lv)逐(zhu)渐(jian)降(jiang)低，硬度(du)逐(zhu)渐(jian)增(zeng)大，表(biao)面粗糙(cao)度得到(dao)降低(di)，并发(fa)现(xian)激光功(gong)率(lv)是(shi)影(ying)响样(yang)品表(biao)面粗(cu)糙度的(de)主(zhu)要因(yin)素。李吉帅(shuai)等(deng)[29]探究了(le)不同(tong)激(ji)光(guang)功(gong)率(lv)（300~450 W）对(dui) SLMed TC4 成(cheng)形(xing)性能(neng)的(de)影响(xiang)，如图(tu) 2 所示。当激光功(gong)率(lv)从(cong) 300 W 增(zeng)加(jia)至(zhi) 450 W 时(shi)，样(yang)品(pin)表(biao)面(mian)的孔洞(dong)数量减(jian)少(shao)，存在(zai)极少数未(wei)融化的(de)粉(fen)末(mo)，同时材料(liao)的(de)显(xian)微硬度(du)提高(gao)。李(li)学伟(wei)等[30]发(fa)现(xian)，TC4合金(jin)随(sui)着(zhe)激(ji)光(guang)能(neng)量(liang)密(mi)度的提(ti)高(gao)，材料(liao)显(xian)微硬度(du)、致(zhi)密度(du)以及(ji)成形质(zhi)量呈(cheng)现出先增(zeng)加、后(hou)下降(jiang)的(de)趋势，激(ji)光(guang)能(neng)量(liang)密度达(da)到(dao) 0.21 J/mm 时(shi)，材(cai)料的各项(xiang)性(xing)能最佳。

综(zong)上所(suo)述，适当(dang)提高激光(guang)功率有(you)利于(yu)粉末的(de)充分(fen)熔(rong)化，可以减少(shao)零件的孔隙(xi)率，从(cong)而提升(sheng)合金(jin)的(de)致密(mi)度(du)，改善成(cheng)形件(jian)的(de)表(biao)面质(zhi)量与性能。当激光(guang)功(gong)率较(jiao)低时，熔(rong)池表面(mian)单(dan)位(wei)面积(ji)接受的能(neng)量(liang)减少，粉(fen)末(mo)不能够(gou)充分熔(rong)化，在(zai)表(biao)面凝(ning)结成不(bu)连(lian)续的熔(rong)滴，使样品表面质量变(bian)差；当激光(guang)功率过(guo)大(da)时，熔池(chi)温度升高，会(hui)出现熔融的金(jin)属球(qiu)飞溅到(dao)熔(rong)池中(zhong)，不利于 SLM 成形(xing)，并(bing)且(qie)产(chan)生(sheng)较多的(de)裂(lie)纹(wen)和气孔，降(jiang)低了成形样(yang)品(pin)表(biao)面质量。

2.1.2 激(ji)光(guang)扫(sao)描速度

扫描速度(du)影(ying)响了激光(guang)在熔化(hua)区停(ting)留(liu)时间(jian)的(de)长(zhang)短(duan)，对能(neng)量输入大小(xiao)具(ju)有(you)重(zhong)要(yao)的调(diao)节作用，决定(ding)了(le)粉(fen)末颗粒(li)能(neng)否充(chong)分(fen)熔(rong)化(hua)。Wang 等(deng)[31]发(fa)现(xian)，在 850~1 450 mm/s时，可(ke)获得(de)尺寸(cun)精(jing)度与(yu)粗(cu)糙度最佳(jia)的(de)表(biao)面(mian)，并(bing)且随(sui)着(zhe)扫(sao)描(miao)速度(du)逐(zhu)渐(jian)提(ti)高，显微组(zu)织从等轴晶(jing)变化(hua)为等(deng)轴(zhou)晶(jing)和(he)柱(zhu)状(zhuang)晶的(de)混合物。当扫描速度(du)超(chao)过(guo) 850 mm/s 时，显(xian)微(wei)组(zu)织(zhi)完全转(zhuan)化为柱状(zhuang)晶，并(bing)且(qie)针(zhen)状结构(gou)逐(zhu)渐(jian)细化(hua)，并(bing)从(cong) α(α′)+β 相逐渐转变为 α′相(xiang)，同(tong)时(shi)显微硬度逐渐(jian)下降(jiang)，如图(tu) 3 所(suo)示。Sun 等[32]发(fa)现(xian)，当扫(sao)描速度(du)提(ti)高时(shi)，表面(mian)扫描轨(gui)迹(ji)的(de)形(xing)态由清(qing)晰(xi)均(jun)匀变(bian)为无序分(fen)布，而降(jiang)低(di)扫(sao)描速(su)度(du)与适当提高激光功率可(ke)以(yi)提高(gao)成形试样(yang)的(de)致密(mi)度(du)，并提(ti)升预制(zhi)件的(de)拉伸性能(neng)，如(ru)图(tu) 4所(suo)示(shi)。施(shi)承坤等[33]发现(xian)，当(dang)扫描速(su)度为(wei) 1 200、1 300、1 400 mm/s 时，随着(zhe)扫(sao)描速度的增(zeng)加，SLM 成(cheng)形(xing) TC4钛(tai)合金(jin)制件的(de)气(qi)孔和(he)裂(lie)纹(wen)得(de)到(dao)改(gai)善(shan)，提(ti)高了(le)制件(jian)的(de)力(li)学性(xing)能，在(zai) 1 400 mm/s 时，试(shi)样的(de)抗拉强(qiang)度最(zui)高(gao)。

Kruth 等[34]使用了 225、380 mm/s 的(de)扫描(miao)速度进(jin)行样(yang)品成(cheng)形，发现较低(di)的(de)扫描(miao)速度，降(jiang)低(di)热梯度(du)的(de)变(bian)化(hua)，可以减少热应(ying)力，但过高的扫描速度(du)会导(dao)致(zhi)残(can)余(yu)应(ying)力(li)的(de)增加(jia)。

激(ji)光束(shu)在熔池(chi)上停留的(de)时(shi)间长短取(qu)决(jue)于(yu)扫描速度的(de)快(kuai)慢(man)，合(he)适(shi)的(de)扫(sao)描(miao)速度(du)能够提(ti)供(gong)充足(zu)的能(neng)量，使粉(fen)末充(chong)分(fen)熔化(hua)。当扫(sao)描速(su)度较(jiao)快时，单(dan)位时(shi)间内激光(guang)与粉末作(zuo)用(yong)的(de)时(shi)间较(jiao)短(duan)，能(neng)量输入不足，熔(rong)化(hua)路径上(shang)的(de)粉(fen)末不能(neng)完(wan)全融化，部分(fen)颗(ke)粒(li)分(fen)散(san)在(zai)试(shi)样(yang)内部，从而形(xing)成孔隙；当(dang)扫描(miao)速度较(jiao)低时，激光束(shu)在(zai)粉末(mo)颗(ke)粒上(shang)停留(liu)的(de)时(shi)间增加，导(dao)致(zhi)形成(cheng)的(de)熔(rong)体不稳定，成形(xing)样品(pin)具(ju)有(you)较多的孔洞，并出(chu)现(xian)杂(za)质(zhi)与(yu)裂纹。

2.1.3 激光(guang)扫(sao)描(miao)间(jian)距(ju)

扫(sao)描(miao)间距同(tong)样是 SLM 成(cheng)形(xing)过(guo)程(cheng)中的(de)重要(yao)参数，扫(sao)描(miao)间(jian)距(ju)的(de)不(bu)同(tong)同样(yang)会(hui)导致能(neng)量密度(du)不同(tong)。这(zhe)会影响扫(sao)描线(xian)之(zhi)间是(shi)否发(fa)生(sheng)重(zhong)叠，从(cong)而影(ying)响(xiang)粉末熔(rong)化(hua)部分(fen)的熔道(dao)搭(da)建面(mian)积(ji)，而(er)合(he)适的熔道(dao)搭(da)建(jian)面积(ji)是(shi)成形(xing)致密度较好的(de)必(bi)要条件(jian)[37]。黄建(jian)国(guo)[35]通过(guo)比较(jiao) 0.05、0.07、0.11 mm 等(deng) 3 组(zu)不同(tong)的扫描间(jian)距对(dui)试(shi)样成形质(zhi)量(liang)的(de)影响，发现(xian)当(dang)激(ji)光扫描间距为(wei) 0.05 mm 时(shi)，致(zhi)密度(du)出(chu)现最低(di)值(zhi)；当(dang)扫描间距(ju)为 0.11 mm 时(shi)，由(you)于(yu)扫描(miao)间距(ju)较(jiao)大(da)，产(chan)生(sheng)较(jiao)多(duo)的(de)未(wei)熔或(huo)半熔(rong)粉(fen)末(mo)颗粒，从而(er)形成缝(feng)隙(xi)和孔(kong)洞(dong)等缺陷(xian)。王(wang)小龙[36]同(tong)样(yang)发现(xian)，随着扫描间(jian)距的

不(bu)断增(zeng)加(jia)，成形(xing)零(ling)件(jian)的致密(mi)度先(xian)逐渐(jian)增大，随后逐(zhu)渐(jian)减(jian)小(xiao)，在(zai) 0.09 mm 时达到最(zui)大(da)。王沛[37]发(fa)现(xian)，当(dang)扫描(miao)间(jian)距为 0.05 mm 时(shi)，由于扫(sao)描(miao)线重叠(die)的搭(da)接率较高，能量得到充分(fen)输入，激光(guang)作用的(de)区(qu)域出现(xian)多次熔(rong)化(hua)和凝固(gu)，以(yi)及粉末缺失(shi)不(bu)足(zu)，产(chan)生孔洞等(deng)现(xian)象(xiang)，降(jiang)低(di)了(le)成(cheng)形(xing)效(xiao)率(lv)。当(dang)扫描间(jian)距为(wei) 0.1 mm 时(shi)，扫(sao)描(miao)线之(zhi)间(jian)搭(da)接(jie)率(lv)继续(xu)降低(di)，甚(shen)至(zhi)分(fen)离，导(dao)致扫(sao)描区中(zhong)的金(jin)属粉(fen)末融合较差，出现较(jiao)大的(de)孔(kong)洞(dong)现(xian)象，影(ying)响成形质量(liang)。

综上(shang)所述(shu)，相关学者(zhe)的研究表明(ming)，当扫(sao)描(miao)间(jian)距为(wei)0.05~0.09 mm 时，在(zai)扫描(miao)路径(jing)上(shang)能够充(chong)分(fen)熔(rong)化(hua)粉末颗(ke)粒，样(yang)品(pin)的成(cheng)形质(zhi)量(liang)较好。当(dang)间(jian)距较小时(shi)，虽(sui)然不容易形(xing)成孔(kong)洞(dong)等(deng)缺(que)陷，但会发生金(jin)属(shu)粉(fen)末重熔(rong)的现象，零(ling)件的相对(dui)密度会降(jiang)低(di)。若(ruo)扫(sao)描间(jian)距过大(da)，在(zai)扫(sao)描间(jian)隔(ge)区(qu)域(yu)的(de)粉(fen)末颗粒不(bu)能未(wei)完全(quan)熔(rong)化(hua)，从(cong)而(er)形成(cheng)表面(mian)缺(que)陷。扫(sao)描间距除(chu)了在一定(ding)程度(du)上影(ying)响(xiang)了激光(guang)选区熔化(hua)的(de)成(cheng)形质(zhi)量外，对零件(jian)的(de)加工(gong)周期(qi)也(ye)有(you)影(ying)响。

2.1.4 铺粉(fen)厚度(du)

王沛[37]和 Qiu 等[38-39]发(fa)现，当(dang)铺粉(fen)厚(hou)度为(wei) 0.02 mm时(shi)，激(ji)光(guang)扫(sao)描(miao)轨道(dao)分布均(jun)匀，且(qie)成形(xing)试样的(de)空(kong)隙(xi)率(lv)较(jiao)低；当(dang)铺粉厚(hou)度提高(gao)至(zhi) 0.06 mm 时，扫描(miao)轨迹(ji)发(fa)生错位(wei)，洞(dong)状空隙(xi)数量急(ji)剧(ju)上(shang)升，成(cheng)形(xing)质量变(bian)差(cha)；随(sui)着(zhe)铺粉厚(hou)度继(ji)续增加(jia)，扫(sao)描(miao)轨迹(ji)趋于(yu)不(bu)规则(ze)，熔体的(de)流动趋(qu)于不(bu)稳定，试(shi)样(yang)表(biao)面起(qi)伏(fu)增大(da)。Nguyen 等[40]发(fa)现，当粉层(ceng)厚(hou)度为(wei) 0.02~0.05 mm 时(shi)，较低的(de)铺粉(fen)厚(hou)度能够(gou)提(ti)高(gao)成(cheng)形(xing)试样(yang)的(de)相对密(mi)度与(yu)表(biao)面质量（如(ru)图 5 所示(shi)），从(cong)而(er)获(huo)得(de)较高的(de)抗拉强度和显(xian)微硬(ying)度。Sun 等[41]通(tong)过(guo)比(bi)较 0.02~0.08 mm 范围内的铺粉(fen)厚度同样发现，粉(fen)末厚(hou)度(du)的增(zeng)加(jia)将(jiang)导致熔(rong)体(ti)的(de)不(bu)均匀，同时(shi)降(jiang)低了(le)成(cheng)形(xing)试(shi)样的(de)致(zhi)密(mi)度。

由(you)于(yu)在 SLM 成形过(guo)程中(zhong)需(xu)要在基(ji)板(ban)上层层(ceng)铺粉再(zai)进行(xing)熔(rong)化，而激(ji)光照(zhao)射(she)的能(neng)量是(shi)一定的(de)，铺(pu)粉(fen)厚(hou)度将影响(xiang)熔(rong)池的深度，从(cong)而(er)决(jue)定(ding)成形质量。大(da)量学(xue)者通(tong)过(guo)研究(jiu)不同(tong)铺(pu)粉层厚(hou)度的(de)成(cheng)形零件，得(de)出在铺粉(fen)层(ceng)较小时，单位体积内的能量密(mi)度(du)相(xiang)对(dui)较大(da)，粉(fen)末得到(dao)充分熔化(hua)，从(cong)而(er)提高了(le)成形试(shi)样(yang)的(de)致(zhi)密度与表(biao)面(mian)质量；而(er)在(zai)较高的铺粉层(ceng)厚度(du)下(xia)，单(dan)位(wei)体积(ji)的(de)能量(liang)密度(du)相对(dui)较小(xiao)，未(wei)熔化(hua)的(de)粉末(mo)颗(ke)粒较多，从(cong)而(er)提高(gao)了成形件(jian)的(de)孔(kong)隙率。

2.1.5 其(qi)余参(can)数(shu)

除了(le)一些(xie)主(zhu)要工艺(yi)参(can)数对(dui)样(yang)品的(de)影响，还有(you)成形(xing)方(fang)向(xiang)、粉(fen)床温度(du)以(yi)及(ji)加工(gong)变量(liang)等(deng)参(can)数对(dui) SLM 成(cheng)形(xing)过(guo)程存在一(yi)定的(de)影(ying)响(xiang)。孙(sun)东升(sheng)[42]发现，不同成(cheng)形(xing)方(fang)向会引起热(re)积累的差异(yi)性，继(ji)而导(dao)致成(cheng)形试样的致密(mi)化程(cheng)度以及(ji)显(xian)微(wei)组(zu)织(zhi)演(yan)变的差(cha)异(yi)，XZ 成(cheng)形(xing)方向的板状时(shi)间(jian)致密(mi)化(hua)程度(du)和(he)拉伸(shen)性能(neng)明(ming)显大于(yu) XY 成形方向的板状(zhuang)试(shi)件。Xu 等[43]发(fa)现，较(jiao)短的夹层(ceng)时间(jian)、较大的层(ceng)厚、较少(shao)的(de)支撑(cheng)结构(gou)、较大的零(ling)件(jian)尺(chi)寸和(he)较少(shao)的(de)接(jie)触有利(li)于马氏(shi)体(ti)的分解，且(qie)分解(jie)产生(sheng)的 α+β 微(wei)观结构取决(jue)于(yu)相(xiang)变(bian)温度(du)和停留(liu)时(shi)间(jian)。Ali 等(deng)[44]将(jiang)粉(fen)床温(wen)度(du)提高到(dao) 570 ℃时，可(ke)使 α'马氏体分(fen)解为(wei)平(ping)衡的(de) α+β 微(wei)观(guan)结构，显(xian)著(zhu)减(jian)少(shao) SLM 成形 TC4 钛合(he)金内部残余(yu)应力(li)的(de)形成，提高了成(cheng)形(xing)件的(de)屈服强(qiang)度、延展性以及显微硬(ying)度(du)，如(ru)图(tu) 6 所示(shi)。Mercelis 等[45]、Miao 等(deng)[46]、Chen等(deng)[47]同样(yang)发现，基(ji)板的加热(re)使(shi)温度(du)梯(ti)度(du)得到(dao)降(jiang)低(di)，从而(er)降(jiang)低(di)了(le)部(bu)件的(de)各向残余应(ying)力(li)（如(ru)图 7 所示(shi)），但在大多(duo)数(shu)商用(yong) SLM 机(ji)器(qi)上很(hen)难(nan)实现高的(de)预热(re)温度(du)。Xu等(deng)[48]通(tong)过(guo)改变(bian)一(yi)系(xi)列(lie)的(de)加(jia)工变(bian)量（包括(kuo)层厚(hou)、能(neng)量密(mi)度和焦点(dian)偏(pian)移距离），使(shi)非(fei)平衡的马氏体(ti)原(yuan)位分(fen)解为新型(xing)的(de)超细(xi)片状 α+β 结(jie)构，提(ti)高(gao)了试(shi)样的(de)拉(la)伸伸长(zhang)率和屈(qu)服强(qiang)度(du)，性(xing)能(neng)优(you)于具有(you) α'马(ma)氏(shi)体(ti)的 SLM 成(cheng)形(xing) TC4钛(tai)合(he)金(jin)。上(shang)述(shu)实(shi)验(yan)表明(ming)，通过优(you)化(hua)试样的(de)成形(xing)方(fang)向(xiang)，适当地(di)提(ti)升粉(fen)床温(wen)度，缩(suo)短(duan)夹(jia)层(ceng)时(shi)间(jian)等工艺方(fang)法，SLM 成形(xing)工艺(yi)可以获得拉(la)伸性能(neng)优(you)异(yi)的试件(jian)。

2.2 LMD 成形(xing)工艺参数

2.2.1 激光功率(lv)

激光(guang)功(gong)率(lv)是(shi) LMD 成(cheng)形(xing)过(guo)程中的(de)主(zhu)要(yao)控制(zhi)参(can)数(shu)之一(yi)，通(tong)过(guo)调(diao)控(kong)不(bu)同数值(zhi)的(de)激光(guang)功率，能(neng)够(gou)得到(dao)不(bu)同(tong)的(de)微(wei)观组织，并(bing)且激(ji)光(guang)功率(lv)对熔(rong)覆(fu)层熔(rong)融(rong)效果(guo)的(de)影响较(jiao)大。Mahamood 等[49-50]发(fa)现，当激光功率在 1 500~3 100 W 时(shi)，增大(da)激(ji)光功率能够(gou)降低 LMD 成(cheng)形(xing) TC4钛合金(jin)的孔隙率(lv)，从(cong)而(er)提高其(qi)表(biao)面(mian)质量(liang)，如(ru)图(tu) 8~10所示(shi)。此外，在(zai)较高的激(ji)光(guang)功(gong)率(lv)下，适(shi)度(du)提(ti)高显(xian)微硬度能(neng)够(gou)改(gai)善(shan) LMD 成形 TC4 钛合金的(de)抗腐(fu)蚀(shi)性(xing)能(neng)。

Ravi 等(deng)[51]发(fa)现，激光功率(lv)对(dui)沉积(ji)态(tai) TC4 钛(tai)合金的晶(jing)体结(jie)构有很大(da)的影响，较(jiao)高的(de)激(ji)光(guang)功(gong)率会(hui)导致(zhi)试样(yang)产生(sheng)更大尺(chi)寸的(de)晶(jing)粒(li)和(he)更粗(cu)的(de)微观结构(gou)。傅(fu)道(dao)健[52]发现(xian)，TC4 粉(fen)末(mo)熔(rong)融(rong)效率(lv)随(sui)着(zhe)激光功率(lv)的(de)增大(da)而升高(gao)，当(dang)激(ji)光(guang)功率(lv)降低时，试样(yang)易出现(xian)层间(jian)未(wei)融化(hua)的(de)缺陷(xian)，使原(yuan)本垂直外(wai)延生(sheng)长的柱状(zhuang)晶(jing)产生(sheng)倾(qing)斜(xie)；当激光功(gong)率(lv)升高(gao)时，成形试(shi)样的(de)微(wei)观(guan)组(zu)织截(jie)面(mian)呈现(xian)等(deng)轴状(zhuang) β 晶(jing)粒(li)与(yu)垂(chui)直(zhi)生(sheng)长(zhang)的柱(zhu)状(zhuang) β 晶粒。

从(cong)实(shi)验(yan)结(jie)果(guo)可见(jian)，通(tong)过适当(dang)增大激光功(gong)率，从(cong)而(er)增大(da)熔覆层的(de)深度(du)与宽度，可提高粉(fen)末(mo)的(de)熔融效(xiao)率。同(tong)时，扫(sao)描单道(dao)之间(jian)的(de)宽(kuan)度(du)减小(xiao)，成(cheng)形试样(yang)的孔(kong)隙(xi)率(lv)得(de)到降(jiang)低(di)，从而提高了试(shi)件(jian)的成形质(zhi)量(liang)。通(tong)过研究(jiu)总(zong)结(jie)得(de)到适(shi)合不同(tong)应用场景且(qie)稳(wen)定高(gao)效(xiao)的(de)激(ji)光(guang)功(gong)率(lv)参(can)数，可以在激(ji)光熔化(hua)沉(chen)积(ji)过(guo)程中得到(dao)均匀(yun)、细化的微(wei)观(guan)组(zu)织(zhi)结(jie)构(gou)。

2.2.2 激(ji)光(guang)扫(sao)描(miao)速度

相比(bi)于激(ji)光功率(lv)，扫(sao)描速度(du)对微(wei)观组(zu)织(zhi)结构的(de)影响更(geng)明显，尤其(qi)是(shi)对(dui)晶粒(li)结构(gou)转变与(yu)尺(chi)寸的影响较(jiao)为(wei)明显(xian)。Mahamood 等[53-54]探究(jiu)了(le) 20~120 mm/s 的扫描速度对(dui)试(shi)样(yang)性能(neng)的影(ying)响(xiang)，发(fa)现随着(zhe)扫描(miao)速(su)度(du)的增(zeng)加(jia)，成形零(ling)件(jian)的凝固(gu)速(su)度也得(de)到(dao)了(le)提(ti)高，从(cong)较(jiao)软的魏(wei)氏(shi) α晶(jing)粒(li)结(jie)构转(zhuan)变为(wei)较(jiao)硬的(de)马氏体(ti) α 晶(jing)粒结构，而(er)且(qie)成(cheng)形试样(yang)的(de)显微硬度(du)和(he)表面(mian)粗(cu)糙(cao)度(du)均(jun)随(sui)着(zhe)扫(sao)描(miao)速(su)度(du)的提(ti)高(gao)而增大(da)，如图(tu) 11 所示(shi)。为了(le)达到最(zui)小的(de)表面粗(cu)糙(cao)度，同(tong)时(shi)保持适中的显微硬(ying)度，最(zui)佳(jia)的扫(sao)描(miao)速度约(yue)为630 mm/s。李(li)俐群(qun)等(deng)[55]发(fa)现(xian)，随着(zhe)扫(sao)描(miao)速(su)度的降(jiang)低(di)，热(re)积累越明显(xian)，从而引起(qi)柱状晶(jing)宽度的(de)增(zeng)大。当(dang)扫(sao)描(miao)速度降低到(dao)一(yi)定(ding)数值(zhi)时，柱状(zhuang)晶(jing)转变为(wei)细小(xiao)的(de)等轴(zhou)晶。在低扫(sao)描速度下，激(ji)光与(yu)粉末(mo)的(de)相互作用时(shi)间(jian)较长(zhang)，融化(hua)粉(fen)末(mo)材料需要(yao)耗费更(geng)多(duo)的时间，沉积的(de)粉末会产(chan)生(sheng)较大的熔(rong)池(chi)，从而导(dao)致较(jiao)低(di)的显(xian)微硬度，而(er)较(jiao)大的熔池需要(yao)更(geng)长(zhang)的时(shi)间来凝固与(yu)冷(leng)却(que)，基材表面(mian)的熔(rong)化(hua)程(cheng)度(du)较(jiao)高；在(zai)高扫(sao)描(miao)速(su)度下(xia)，快速冷却可能会(hui)导(dao)致(zhi)沉积样(yang)品(pin)表面形成片状形(xing)貌，这可(ke)能(neng)是(shi)表(biao)面粗(cu)糙度较(jiao)高(gao)的(de)原因(yin)。

2.2.3 送粉速(su)率(lv)

与扫描速(su)度(du)类似，送(song)粉速率(lv)在(zai)一(yi)定程(cheng)度上也会(hui)影(ying)响(xiang)金属(shu)的(de)成(cheng)形速(su)率(lv)和成形(xing)质(zhi)量(liang)。在(zai) LMD 工艺中，常(chang)用的送粉速(su)率为(wei) 1~10 g/min。Zhong 等[56]总结得到Ti6Al4V 的 LMD 沉积速(su)率(lv)通(tong)常低于 8.4 g/min，送粉(fen)速(su)率(lv)的增加(jia)会导(dao)致显微(wei)硬度(du)和表(biao)面(mian)粗糙度(du)的增加(jia)。时(shi)国浩[57]发现(xian)，随(sui)着(zhe)粉末输(shu)送速率的增加(jia)，试(shi)样的致密(mi)度(du)呈(cheng)现(xian)出逐(zhu)渐(jian)减(jian)小的(de)趋势(shi)。由于送(song)粉速(su)率较(jiao)小时(shi)，过(guo)剩的能(neng)量输入(ru)使熔体(ti)具(ju)有(you)较(jiao)高的(de)过热度，熔体(ti)中(zhong)的气体逸出熔(rong)体表(biao)面，从而提(ti)高(gao)试样(yang)的(de)致(zhi)密(mi)度(du)；较高的(de)送粉速率会使熔(rong)体中的气(qi)体难(nan)以(yi)逸出熔体表(biao)面，从而(er)导(dao)致气孔数(shu)量(liang)增加。

综上所(suo)述(shu)，在(zai)能量(liang)输(shu)入(ru)不变(bian)的(de)条(tiao)件下(xia)，熔池的面(mian)积变(bian)化不(bu)大。当送粉速(su)率(lv)较(jiao)低时，粉(fen)末(mo)层宽度(du)与厚度较(jiao)低(di)，适(shi)当增(zeng)大(da)送粉(fen)速率可以(yi)使(shi)更多的粉末(mo)得到充(chong)分融(rong)化。当送(song)粉速(su)率较(jiao)大时(shi)，多(duo)余的(de)粉末(mo)也不会被熔池(chi)熔(rong)化(hua)，而(er)粉末(mo)沉积在(zai)试(shi)样(yang)中会产(chan)生未融合(he)的(de)缺(que)陷。此(ci)外，过高(gao)的送粉(fen)速率(lv)也(ye)会(hui)导(dao)致(zhi)材料(liao)的浪(lang)费，大大提高LMD 技术的(de)成本。

2.3 SLM 与(yu) LMD 的(de)扫描策(ce)略(lve)影响

除了(le)不(bu)同工(gong)艺参(can)数(shu)外(wai)，结合理(li)想(xiang)的(de)扫(sao)描(miao)策(ce)略可(ke)以(yi)显(xian)著(zhu)提(ti)高打(da)印(yin)部(bu)件(jian)的力学性能。目(mu)前(qian)，在成形过(guo)程(cheng)中，常见(jian)的(de)扫(sao)描(miao)方(fang)式可(ke)分(fen)为同层扫(sao)描和(he)异层(ceng)扫描(miao)，其中同层扫(sao)描包(bao)括(kuo)岛(dao)式和(he) S 形(xing)扫描(miao)等(deng)方式(shi)，而异层(ceng)扫描主(zhu)要(yao)是不(bu)同扫描方(fang)向的成(cheng)形方(fang)式(shi)，主要(yao)的(de)扫(sao)描(miao)策略(lve)如图(tu)12 所(suo)示。在 SLM 成形(xing)过程中，Ali 等(deng)[58]发(fa)现(xian)，采用(yong)90°交替(ti)扫(sao)描策略(lve)的 SLMed TC4 钛(tai)合金零件的(de)残(can)余(yu)应(ying)力积累(lei)最(zui)低(di)。采用棋盘式(shi)扫描(miao)时（如图(tu) 9a 所(suo)示(shi)），随(sui)着棋(qi)盘块大(da)小（扫(sao)描矢量长(zhang)度）的(de)增加(jia)，残余应力呈上升趋(qu)势(shi)。郝(hao)云波(bo)等[58]比(bi)较了单向(xiang)扫描(miao)与往(wang)复(fu)扫(sao)描(miao)成形(xing) TC4 钛合金(jin)，发(fa)现(xian)单向扫(sao)描在(zai)成形过程(cheng)中易(yi)引(yin)起(qi)误(wu)差(cha)累积(ji)；在(zai)往复(fu)扫描(miao)时，由于扫描方向不(bu)断变化(hua)，因(yin)此(ci)可以(yi)消除扫(sao)描(miao)层(ceng)间的高度(du)差(cha)，可(ke)使试样表(biao)面平(ping)整(zheng)，从(cong)而提(ti)升(sheng)其表面质(zhi)量。徐浩(hao)然等(deng)[60]发现(xian)，层间同(tong)向正(zheng)交扫(sao)描(miao)策(ce)略(lve)能得到更好的(de)层间(jian)温度(du)分(fen)布(bu)，提(ti)高(gao)零(ling)件质量(liang)；而(er)采用层(ceng)间(jian)异(yi)向(xiang)扫(sao)描(miao)策(ce)略(lve)时，在(zai)扫(sao)描(miao)路径(jing)末端(duan)会出现(xian)局(ju)部(bu)高(gao)温(wen)现(xian)象。Ni 等[61-62]采用 3 种角度(du)的(de)异(yi)层扫(sao)描(miao)策(ce)略(lve)，发现(xian) 0°和(he) 90° SLMed Ti6Al4V 合(he)金顶面的(de)表面质量(liang)明显好于(yu)前表(biao)面(mian)，而 67.5° SLMed Ti6Al4V合(he)金(jin)前(qian)表(biao)面的(de)表面质(zhi)量(liang)略(lve)好(hao)于(yu)顶(ding)面(mian)。

LMD 成形过(guo)程中(zhong)，万乐[63]发现(xian)，采(cai)用(yong)普通式(shi)、棋(qi)盘(pan)式(shi)和(he)条(tiao)带式(shi)的单层(ceng)扫(sao)描方(fang)式(shi)时(shi)，LMD 成形试样(yang)的(de)表面(mian)质量(liang)相差(cha)不(bu)大，但正(zheng)交式由(you)于(yu)每(mei)层扫(sao)描(miao) 2 次(ci)，导(dao)致(zhi)试(shi)样成形过程的(de)整(zheng)体(ti)热循(xun)环发生变(bian)化(hua)。回(hui)形(xing)式在(zai)扫(sao)描(miao)直角时，激光束(shu)的扫(sao)描(miao)速度(du)会(hui)降(jiang)低(di)，导(dao)致直(zhi)角处的(de)能量(liang)密度(du)升(sheng)高，从而(er)影(ying)响直(zhi)角处(chu)的(de)试样表面(mian)形貌。

单奇博(bo)等[64]发现，不(bu)同扫描策(ce)略(lve)下(xia)，网(wang)篮组织形(xing)态存(cun)在(zai)差(cha)异，从而影响了(le) LMDed TC4 合(he)金(jin)的(de)力(li)学性能。在回(hui)旋(xuan)扫描策略(lve)下的拉(la)伸强度和(he)屈(qu)服强度(du)要(yao)大于(yu)单向扫描策(ce)略(lve)，分(fen)区(qu)回(hui)旋扫(sao)描所(suo)得(de)的残(can)余应力分(fen)布更(geng)均匀，4 种(zhong)扫描策(ce)略(lve)及其残余应(ying)力(li)结果如(ru)图(tu) 13 所示(shi)。

不同扫描策(ce)略会(hui)引(yin)起(qi)扫描路径上(shang)熔池的(de)冷(leng)却(que)时间、激(ji)光输(shu)入位置、温(wen)度梯度(du)等(deng)发(fa)生变化(hua)[63]。同层(ceng)扫描方(fang)式由(you)于包(bao)含(han)单(dan)向(xiang)扫描(miao)、往(wang)复扫描(miao)以(yi)及(ji)回旋(xuan)扫(sao)描等(deng)扫描(miao)方(fang)式，得到的柱状晶形态(tai)与(yu)排列(lie)方向(xiang)具有很(hen)大差(cha)异，单(dan)向扫描中的柱(zhu)状晶较(jiao)为稀疏，且晶界分(fen)明(ming)，往(wang)复扫描(miao)中的柱状(zhuang)晶(jing)密集(ji)，且晶界较(jiao)为杂乱(luan)，而回(hui)旋(xuan)扫(sao)描(miao)中(zhong)的(de)柱(zhu)状(zhuang)晶晶(jing)粒较(jiao)小，且(qie)方向变化较大(da)，这(zhe)也(ye)导(dao)致了(le)不(bu)同(tong)扫描方(fang)式之间的(de)力学(xue)性(xing)能存(cun)在(zai)较大(da)的(de)差(cha)异。异层(ceng)扫描由(you)于不同(tong)成形方(fang)向(xiang)扫描角(jiao)度的(de)差异，层(ceng)与层(ceng)之(zhi)间扫(sao)描(miao)方向(xiang)的(de)变(bian)化(hua)，成(cheng)形(xing)试(shi)样的不同，表(biao)面微(wei)观(guan)组(zu)织与力(li)学(xue)性(xing)能(neng)存(cun)在(zai)较(jiao)大的(de)差(cha)异，具有(you)较强的(de)各向异性特(te)点。因此，对(dui)于(yu)不(bu)同(tong)成形(xing)要(yao)求(qiu)的构(gou)件需(xu)要(yao)采(cai)用与(yu)之(zhi)匹(pi)配的(de)扫(sao)描(miao)策(ce)略(lve)，寻找(zhao)合适的(de)扫描方式优(you)化(hua)零(ling)件(jian)的(de)成形(xing)效(xiao)果(guo)，同时提(ti)高增材(cai)制(zhi)造成形零(ling)件(jian)的(de)表(biao)面(mian)质量(liang)与(yu)力(li)学(xue)性(xing)能(neng)。

3 、热(re)处理对(dui)钛(tai)合金组织与(yu)力学性能(neng)的(de)影(ying)响(xiang)

在使用(yong) SLM 和(he) LMD 工艺(yi)成形 TC4 钛合金(jin)零(ling)件(jian)时(shi)，常受(shou)到复(fu)杂热交互和(he)飞溅(jian)等(deng)因(yin)素(su)的(de)影(ying)响，导致(zhi)成形零件出(chu)现较大(da)的孔隙、粗(cu)糙度(du)和残余(yu)应力(li)等(deng)[65]。热处(chu)理是(shi)改善(shan)金属材(cai)料微(wei)观(guan)组织(zhi)和(he)力学(xue)性(xing)能常用的(de)方(fang)法(fa)之(zhi)一(yi)。合适(shi)的(de)热(re)处理(li)可(ke)以(yi)极大地(di)减(jian)小快速凝固中产(chan)生的残余(yu)应(ying)力(li)，改(gai)变(bian)相(xiang)的形状和(he)大(da)小等，从而优化微(wei)观组织，提高力(li)学性能(neng)。目(mu)前(qian)常(chang)用(yong)的热处理(li)方(fang)法(fa)包括退火、固溶与固溶(rong)时效，在加热升温过(guo)程(cheng)中，使原子(zi)重(zhong)新(xin)排(pai)列(lie)组(zu)合，使亚稳(wen)定(ding)非平衡(heng)组(zu)织(zhi)转(zhuan)变为平(ping)衡组织，减(jian)少(shao)晶(jing)粒(li)间的(de)聚(ju)集效应，从而(er)减小试(shi)样(yang)的(de)残余应(ying)力[66]。

因此(ci)，对钛(tai)合(he)金(jin)零部(bu)件进行(xing)不(bu)同(tong)方法(fa)的热(re)处(chu)理可一定(ding)程度上解决(jue)上(shang)述(shu)问题。不(bu)同热处(chu)理(li)工艺(yi)下 SLMed TC4钛合金的力(li)学性能(neng)见表 2。

Frkan 等(deng)[67]发(fa)现(xian)，在 740 ℃热(re)处理(li)后，SLM 成形 TC4 钛(tai)合(he)金(jin)的微观(guan)结构(gou)显(xian)示出由 α 和 β 相形(xing)成(cheng)的(de)两相(xiang)结(jie)构，在 900 ℃下热(re)处理的试(shi)样，显(xian)示(shi)出以(yi) α'的细针为(wei)特(te)征的微观结构(gou)，900 ℃热(re)处理(li)后(hou)的(de)组织结(jie)构更(geng)均匀，而(er)且(qie)略(lve)高于(yu) 740 ℃的(de)疲劳(lao)强(qiang)度(du)，如图 14a、b 所(suo)示(shi)。肖(xiao)振(zhen)楠等[68]发(fa)现(xian)，未热处理(li)的整(zheng)体组(zu)织主(zhu)要是分(fen)布均匀(yun)的针状 α'马氏(shi)体(ti)，β 相(xiang)含量很(hen)少(shao)。试(shi)样(yang)经过(guo)退(tui)火(huo)处(chu)理(li)后(hou)，α 相(xiang)发生粗(cu)化，并(bing)且发(fa)生积聚(ju)。试(shi)样(yang)经过固(gu)溶(rong)处理(li)后，形成(cheng)了(le)交(jiao)错的(de)网篮(lan)组(zu)织，β 相(xiang)含(han)量增(zeng)多(duo)，部(bu)分(fen) α 相发生(sheng)弯(wan)曲现(xian)象(xiang)，如(ru)图(tu) 15c 所示。经过(guo)固(gu)溶时(shi)效处理(li)后(hou)，整体(ti)组(zu)织由(you)均匀弥散的(de)（α+β）相(xiang)构(gou)成(cheng)，条状 α 相(xiang)发(fa)生粗化，而(er)且 β 相晶(jing)界(jie)更加(jia)清(qing)晰(xi)。

经测(ce)定，这(zhe) 3 种热处(chu)理方(fang)式降低(di)了(le)试样(yang)的强(qiang)度(du)和残余应(ying)力(li)，同时提(ti)高了试样(yang)的(de)塑(su)性(xing)。Huang 等[69]发(fa)现(xian)，亚(ya)固溶热(re)处理(li)与(yu)超(chao)固(gu)溶(rong)热(re)处理(li)、混合处理相比，会产(chan)生(sheng)篮状(zhuang)的(de)微观(guan)结构(gou)和更(geng)好的(de)力(li)学(xue)性能(neng)，但不(bu)能改(gai)变(bian)原有(you)β 晶(jing)粒的(de)形态(tai)。肖(xiao)美立(li)等[70]发(fa)现，SLMed TC4 钛合(he)金沉积(ji)态(tai)金(jin)相组(zu)织(zhi)保留(liu)了(le)明显(xian)的 β 柱(zhu)状(zhuang)晶界，而(er)针(zhen)状(zhuang) α'马(ma)氏体近似(shi) 45°方(fang)向(xiang)排(pai)列(lie)。经过退火(huo)处(chu)理后(hou)，原始 β柱(zhu)状晶(jing)界消(xiao)失，晶粒(li)更(geng)趋(qu)向于(yu)等轴化(hua)，α'马氏体(ti)没有发(fa)生(sheng)粗化(hua)，而(er)向(xiang)短(duan)轴(zhou)化(hua)方(fang)向(xiang)演变，如(ru)图 15e 所示(shi)。退(tui)火态试(shi)样与(yu)沉积(ji)态试(shi)样(yang)相(xiang)比，其室(shi)温(wen)的(de)拉伸强(qiang)度发(fa)生(sheng)降(jiang)低，但断(duan)后伸(shen)长(zhang)率明(ming)显(xian)提(ti)高(gao)，因(yin)此(ci)塑性(xing)得到(dao)提(ti)升，如图 15f 所示。王舒(shu)等(deng)[71]发现，经(jing)过(guo) 780 ℃×2 h 退火热(re)处理(li)后(hou)，结(jie)合区(qu) TC4 钛合金(jin)的(de)身(shen)长(zhang)率与断(duan)面收(shou)缩(suo)率(lv)比(bi)增材(cai)制造(zao)区与锻(duan)造(zao)区(qu)都(dou)有(you)所降低(di)，而(er)屈服强(qiang)度(du)与抗拉强度处(chu)于增材(cai)制造区(qu)和(he)锻造(zao)区之(zhi)间(jian)。梁(liang)晓康(kang)等(deng)[72-73]发现(xian)，沉积态(tai) TC4 钛(tai)合(he)金(jin)的抗(kang)拉强度(du)与(yu)硬度(du)随(sui)着(zhe)退火温度(du)的(de)升(sheng)高(gao)而降(jiang)低，而(er)塑性得(de)到(dao)提(ti)升(sheng)，如图 14d 所(suo)示。这是(shi)由(you)于(yu)退(tui)火处理后针状(zhuang) α 相的(de)含(han)量(liang)增(zeng)加(jia)，且 α板条(tiao)发(fa)生(sheng)一(yi)定的(de)粗(cu)化，同时(shi) β 相含量增加，又(you)因(yin) β 相(xiang)强度低于(yu) α 相(xiang)，而(er)塑性高(gao)于 α 相，从而使(shi)试(shi)样强度降低，塑性(xing)得(de)到(dao)提高(gao)。乐(le)方(fang)宾(bin)[74]发(fa)现(xian)，随(sui)着(zhe)热(re)处理温(wen)度(du)从(cong) 850 ℃提升(sheng)至(zhi) 1 050 ℃，SLMed TC4 钛(tai)合金的显(xian)微硬度(du)也(ye)随之增加(jia)。这(zhe)是由于(yu) 850、900 ℃热(re)处理后，针状(zhuang)马氏体结(jie)构(gou)被消除，形成的(de) α 板(ban)条(tiao)粗化(hua)导致(zhi)较(jiao)低(di)的(de)硬度(du)值，而(er) 1 050 ℃热处理组(zu)形(xing)成(cheng)的 α 相(xiang)具有(you)精细的结(jie)构，其(qi)硬(ying)度(du)值远(yuan)高于(yu)另(ling)外 2 组(zu)。可见(jian)，经(jing)过(guo)一(yi)定(ding)的(de)退(tui)火、固溶以及(ji)固(gu)溶时效(xiao)处(chu)理，原 SLMed TC4 钛(tai)合金中 α+β 相组(zu)织发(fa)生(sheng)转变，从(cong)而使 SLMed TC4 钛合(he)金(jin)的(de)拉(la)压(ya)强(qiang)度(du)降(jiang)低，而塑性得(de)到(dao)大(da)幅提(ti)升，同时(shi)致密(mi)度(du)可(ke)以达(da)到锻件水(shui)平，综(zong)合性(xing)能得(de)到(dao)改(gai)善。

与 SLMed TC4 钛合金(jin)类(lei)似(shi)，提升 LMDed TC4钛(tai)合(he)金(jin)力(li)学(xue)性能的关键在(zai)于对其(qi)组(zu)织(zhi)的调控。除(chu)了(le)在加(jia)工过程(cheng)中(zhong)可(ke)以(yi)通(tong)过工(gong)艺参数的(de)调整实现(xian)对(dui)微(wei)观结构(gou)的(de)控(kong)制外，对成形(xing)零(ling)件进(jin)行(xing)热处理来也(ye)可(ke)实(shi)现微(wei)观组织(zhi)的(de)优化。陈(chen)志茹等[75]发现(xian)，热等(deng)静(jing)压(ya)后(hou)，LMDed TC4 合(he)金(jin)组织为网篮(lan)组(zu)织(zhi)，α 相宽(kuan)度增加，长(zhang)宽(kuan)比(bi)较小(xiao)；固溶时效后，合金组(zu)织主(zhu)要(yao)由杂(za)乱(luan)短棒状的 α 相组(zu)成(cheng)，如图(tu) 16f 所示(shi)。同(tong)时(shi)，其(qi)抗(kang)拉(la)强度(du)达(da)到(dao) 1 022 MPa，屈(qu)服强度达(da)到(dao) 909 MPa，拉(la)伸性能(neng)达(da)到了锻件标(biao)准。

Wei 等(deng)[76]发现(xian)，正火温度对(dui) LMDed TC4 的(de)室(shi)温(wen)拉伸和硬度(du)有显著(zhu)的(de)影(ying)响(xiang)。当(dang)正(zheng)火温度为 990 ℃时，由(you)于(yu)温(wen)度较高(gao)，在空气(qi)冷(leng)却(que)时(shi)冷却速(su)度非常快(kuai)，使得 β相在冷(leng)却过(guo)程中(zhong)未完全转变为 α 相，同时(shi)形(xing)成极(ji)细(xi) α相(xiang)，从而(er)导致试件硬(ying)度(du)明(ming)显增(zeng)加(jia)，如图(tu) 17b 所(suo)示(shi)。初(chu)生(sheng) α-Ti 相的(de)长宽比与(yu)含(han)量(liang)随(sui)着正火(huo)温度的升(sheng)高而逐渐(jian)降低(di)，在(zai) 930 ℃和(he) 990 ℃时，β-Ti 相不(bu)仅存在于α-Ti 相(xiang)之间(jian)，而且还(hai)存(cun)在(zai)于板条状(zhuang) α-Ti 相(xiang)的(de)网络(luo)中，如图 16g、h 所示(shi)。钦兰云(yun)等(deng)[77]发(fa)现(xian)，LMDed TC4 钛(tai)合(he)金(jin)随着退(tui)火温度的(de)升(sheng)高(gao)，组(zu)织(zhi)中(zhong)的 α 片层(ceng)宽度(du)逐渐增(zeng)大(da)，如图(tu) 16a、b 所示(shi)。当(dang) TC4 钛合金在 960 ℃以(yi)上(shang)高温(wen)退(tui)火(huo)处理(li)时，与(yu)室(shi)温形成较大(da)的(de)温度梯度(du)，空冷状(zhuang)态(tai)下(xia)，冷却(que)速率较快，从(cong)而(er)发生(sheng)了 β 相(xiang)向(xiang) α'相和(he)α''相(xiang)的(de)转(zhuan)变(bian)，形(xing)成(cheng)马氏(shi)体，如图(tu) 16c、d 所示。退火(huo)温度(du)对试样(yang)室温拉(la)伸(shen)性能(neng)的各向异(yi)性具(ju)有一(yi)定(ding)影响(xiang)，如(ru)图(tu) 17c、d 所(suo)示。可(ke)见，当 LMDedTC4 钛(tai)合金热处理温(wen)度在(zai) β 相(xiang)相变点之下进行时，现有的柱状(zhuang)初(chu)生(sheng) β晶形态(tai)和(he)大小都(dou)不会发生(sheng)变(bian)化，而(er)内部的 α 晶(jing)粒(li)则会(hui)发生改(gai)变；当热处理温(wen)度(du)在(zai) β 相相变点之上(shang)进行(xing)时，初生的(de)柱(zhu)状 β 晶将(jiang)会(hui)重新(xin)生(sheng)长(zhang)，内(nei)部(bu)的(de) α 相会完(wan)全转(zhuan)变(bian)为(wei) β 相(xiang)。

上(shang)述研(yan)究(jiu)中(zhong)的(de)结(jie)果表(biao)明，采用不(bu)同(tong)的热处理工(gong)艺会(hui)使材(cai)料表现(xian)出不(bu)同的微观和性(xing)能(neng)特(te)点(dian)，通(tong)过不(bu)同(tong)的热(re)处(chu)理工(gong)艺(yi)能够使(shi)微(wei)观组织更均(jun)匀(yun)，从(cong)而提(ti)高(gao)材料的塑性，同(tong)时(shi)一定(ding)程(cheng)度上(shang)降(jiang)低(di)材料(liao)的强度与硬度(du)。此外，合理(li)选择热(re)处(chu)理的(de)温度和时间(jian)是(shi)改(gai)善(shan)其力(li)学(xue)性(xing)能的关(guan)键因(yin)素(su)。

4 、结论

合理(li)的激(ji)光成(cheng)形参(can)数(shu)和适(shi)当的后(hou)处理可(ke)以(yi)使 TC4钛(tai)合金粉(fen)末充分(fen)熔化，减少成(cheng)形时(shi)的孔(kong)洞现(xian)象，使非(fei)平(ping)衡(heng)组(zu)织(zhi)重(zhong)新(xin)排(pai)列(lie)组(zu)合(he)，从(cong)而(er)减小(xiao)零(ling)件(jian)的(de)残余(yu)应(ying)力，并(bing)提高力(li)学(xue)性能。目前一(yi)些(xie) SLM 与 LMD 成形钛合金(jin)结(jie)构件(jian)强度(du)已(yi)经高于锻(duan)件(jian)水(shui)平，但塑(su)性较(jiao)差，其性(xing)能还不能满足一些(xie)使(shi)用环境的要求(qiu)。本(ben)文(wen)通过对(dui)国内外(wai)文献(xian)进(jin)行研究(jiu)分析，主要(yao)结(jie)论如下(xia)：

1）影(ying)响 SLM 成形 TC4 钛(tai)合(he)金组(zu)织性能的(de)主要(yao)参数(shu)包(bao)括(kuo)激(ji)光(guang)功率(lv)、扫描速度、扫描间距(ju)、铺(pu)粉厚度(du)以及(ji)粉(fen)床温(wen)度(du)等(deng)。在(zai)其(qi)他参(can)数(shu)相(xiang)同的情(qing)况下，较高的激光功率(lv)能够充分(fen)熔(rong)化(hua)粉末，从(cong)而提(ti)高(gao)试(shi)样(yang)表面质量；而(er)较(jiao)高(gao)的(de)扫(sao)描速(su)度会使(shi)晶(jing)粒逐(zhu)渐(jian)细化，α+β 相(xiang)转变(bian)为(wei) α′相(xiang)，降低(di)了零件(jian)的显(xian)微(wei)硬(ying)度，拉伸(shen)性(xing)能变差(cha)；随(sui)着(zhe)激光扫(sao)描(miao)间(jian)距的(de)增加(jia)，试样的(de)致(zhi)密(mi)度(du)先发(fa)生(sheng)增大(da)再(zai)减小；较低的(de)铺粉(fen)厚(hou)度能够提高(gao)试样(yang)的相(xiang)对密度，提(ti)高(gao)其抗(kang)拉(la)强(qiang)度与显微硬度；提(ti)高(gao)一定(ding)的粉(fen)床(chuang)温度可优(you)化(hua)成形(xing)件的屈服强度(du)及延展性。

2）影响(xiang) LMD 成形 TC4 钛(tai)合金组织(zhi)性(xing)能(neng)的(de)主(zhu)要参数(shu)包括(kuo)激(ji)光(guang)功率、扫(sao)描(miao)速度(du)以及(ji)送(song)粉(fen)速(su)率等(deng)。提(ti)高(gao)成形(xing)过程中的(de)激光(guang)功率(lv)，能够(gou)降(jiang)低成形(xing)试样(yang)的孔(kong)隙率(lv)，从(cong)而改善其(qi)表面粗(cu)糙(cao)度与(yu)抗(kang)腐蚀(shi)性能(neng)；随着(zhe)扫描(miao)速度(du)增(zeng)加(jia)，显微(wei)硬度(du)和(he)表面粗(cu)糙度(du)得到(dao)提高(gao)，而(er)且激(ji)光功(gong)率(lv)与(yu)扫描(miao)速度之间(jian)有(you)较大的(de)关联性，可(ke)采取较低(di)的(de)激光功率(lv)和(he)较(jiao)高(gao)的(de)扫(sao)描速度进行(xing)组(zu)合(he)，从而得(de)到(dao)显微(wei)硬(ying)度(du)较(jiao)高的试样(yang)；随(sui)着(zhe)送粉(fen)速率提高(gao)，试样(yang)致(zhi)密度呈(cheng)现先(xian)提(ti)高后降低的趋势。

3）激(ji)光选(xuan)区(qu)熔化 TC4 钛合(he)金随(sui)着(zhe)退火温度的升高(gao)，α 相转(zhuan)变(bian)为(wei) β 相，β 相(xiang)含(han)量显著提(ti)高(gao)，由于(yu) β 相强(qiang)度低(di)于 α 相(xiang)，而塑性(xing)高(gao)于 α 相，从而(er)降低(di)了试(shi)样(yang)的强(qiang)度同时(shi)提高(gao)了(le)试样(yang)的(de)塑性。根据已(yi)有(you)研(yan)究(jiu)，选择(ze)920~940 ℃进行(xing)固(gu)溶(rong)处(chu)理(li)，会(hui)形(xing)成(cheng)（α+β）网篮组(zu)织，使钛(tai)合金(jin)试(shi)样(yang)强(qiang)度降低(di)，塑性(xing)提(ti)高(gao)。目前(qian)已有(you)研(yan)究(jiu)人(ren)员(yuan)将退火与(yu)固溶时(shi)效(xiao) 2 种热(re)处(chu)理手(shou)段相(xiang)结合，更(geng)好(hao)地(di)平衡了强度(du)与塑(su)性(xing)。与 SLM 成(cheng)形(xing)技术类似(shi)，随着(zhe)热处(chu)理(li)温度适当的(de)提高，原始(shi)的(de)针状(zhuang)马(ma)氏(shi)体结(jie)构(gou)被消除(chu)，从(cong)而提(ti)高了 LMD 成形 TC4 钛合(he)金的(de)力学性能(neng)。

4）目(mu)前(qian)，对(dui)于(yu)如何通过调(diao)控(kong)合(he)理(li)的(de)工(gong)艺(yi)参(can)数(shu)，同(tong)时(shi)匹(pi)配合适(shi)的热(re)处(chu)理(li)方(fang)法，并(bing)明(ming)晰其(qi)内(nei)在机理的研究(jiu)比较少(shao)，而匹配合理的 SLM 与(yu) LMD 工艺(yi)参数(shu)和热(re)处理方(fang)法是获(huo)得(de)优(you)异(yi)力学(xue)性(xing)能(neng)钛合金(jin)的(de)最(zui)佳选(xuan)择(ze)。

因此，需要(yao)进一步探索工(gong)艺参(can)数(shu)、扫(sao)描策(ce)略(lve)以(yi)及(ji)热处(chu)理对(dui) SLM 与 LMD 成(cheng)形(xing)钛(tai)合(he)金(jin)的微观结(jie)构与性能(neng)的影(ying)响。在(zai)不同的(de)工(gong)艺(yi)参数中，激(ji)光(guang)功(gong)率(lv)和(he)扫(sao)描速(su)度(du)对成形(xing)件(jian)的成(cheng)形(xing)质量影响(xiang)最大(da)。因此(ci)，在(zai)选择(ze)这(zhe) 2 个(ge)工艺(yi)参数(shu)时(shi)应(ying)谨(jin)慎，从而尽可能(neng)减(jian)少(shao)缺(que)陷(xian)。此(ci)外(wai)，不(bu)同(tong)热(re)处(chu)理方法(fa)的组(zu)合(he)也(ye)是提(ti)升 SLM 与 LMD 成(cheng)形钛合金(jin)构件组(zu)织性能的(de)方(fang)式(shi)，通过探索不(bu)同热(re)处(chu)理方法(fa)的组合以减少缺陷(xian)并(bing)提高钛(tai)合(he)金在不同工(gong)程应(ying)用(yong)中的(de)性能。

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