长安大学 l 粉末床熔融式增材制造钛合金研究进展及应用 |《中国有色金属学报》

| 3DScienceValley · 2025/01/06

谷专栏

3D科学谷洞察

钛合金增材制造技术在航空航天、医疗、汽车等行业的应用将进一步扩大。特别是在航空航天领域，钛合金构件能够满足复杂需求，缩短研发周期，在医疗器械领域，如人工关节等的应用也在不断增加。

钛合金的增材制造技术处在快速发展中，例如，研究人员发现，在激光增材制造过程中，由于高温和快速凝固作用，以及熔池内的Marangoni流动，可以在金属基体中生成分布均匀的REO颗粒，有助于提高材料的整体性能，通过控制位错的密度和分布，可以优化钛合金的力学性能。

随着对钛合金增材制造的深度研究，钛合金增材制造技术正朝着生产复杂化、高精度化、大型化以及低成本的方向发展，实现生产的快速化，促进制造业的快速发展。”

引用格式

毛雅梅, 赵秦阳, 耿纪华, 刘燮, 陈永楠, 张凤英, 徐义库, 宋绪丁, 赵永庆. 粉末床熔融式增材制造钛合金研究进展及应用[J]. 中国有色金属学报, 2024, 34(09): 2831-2856.

研究背景

钛及其合金的粉末床熔融式（PBF）增材制造技术因具有定制制造、成本节约和时间优化等优势，在航空以及生物医学领域备受关注。但在PBF制造钛合金时，多种因素如热导率低、热积累、氧化敏感性及快速冷却引起的热应力共同导致成形件缺陷、组织差异、性能不稳定与质量参差不齐等问题。因此，本文通过分析PBF技术中的激光粉末床熔融（Laser powder bed fusion, L-PBF）和电子束粉末床熔融（Electron beam powder bed fusion, EB-PBF）技术原理，讨论了PBF增材制造钛合金微观组织特征、力学性能、耐腐蚀性能、耐磨损性能与生物相容性的特点；同时，聚焦成形过程中的缺陷形成机理及影响因素，提出缺陷消除方案，展望两种技术的未来发展方向，为促进创新钛合金增材制造提供新的研究思路。

文章亮点

（1）详细阐述了L – PBF和EB – PBF技术制造不同类型钛合金（α、β、α+β）微观组织的差异，明确了微观组织对钛合金在力学性能、耐腐蚀性能、耐磨损性能和生物相容性等方面的影响。
（2）类比了PBF技术制造钛合金的缺陷并提出优化方案，将PBF增材制造钛合金过程中的缺陷大致分为融合不良、几何结构缺陷、成分缺陷三类。可通过控制粉层厚度、提高粉层均匀性、预处理、优化光学系统参数、人工智能以及数值模拟相结合等方法提高钛合金成形件的质量。
（3）通过L-PBF和EB-PBF技术在航空航天和生物医学领域制造钛合金的应用实例，基于增材原料、工艺、设备、应用四个方面，对粉末床熔融式（PBF）增材制造钛合金未来可能的发展方向进行了展望。

图文解析

增材制造技术因具备高质量制造结构复杂的高性能金属零部件的能力而在工业生产和高性能机械系统方面占据中心地位。根据材料进给方式不同，增材制造可分为粉末床熔融式（Powder bed fusion, PBF）和直接能量沉积式（Direct energy deposition, DED），两种技术原理示意图如图1所示。PBF技术中铺粉在激光或电子束作用前已完成；而DED技术中，粉末随激光或电子束作用被同时送给。

图1　增材制造技术原理示意图

图2为L-PBF过程中激光与粉末床相互作用的示意图以及物理现象，L-PBF过程与激光焊接类似，在L-PBF过程中，激光束与粉末材料相互作用，粉末被高温熔化又快速凝固，层层堆叠，形成金属部件，该过程中粉末的热对流、热传导、热辐射以及熔池内部的热量转移过程更加复杂。该技术的主要优势是激光热源所适用的材料范围广、能量密度高和成形精度高等。

图2 L-PBF技术（a）示意图；（b）物理现象

图3为EB-PBF技术中电子束与粉末床的相互作用及物理场变化示意图，控制系统将合金粉末按照一定的厚度均匀地平铺在基板上，并以电流通过钨丝形成的电子束作为热源，在聚焦线圈和电磁偏转线圈的作用下，对基板上的合金粉末进行扫描熔化；在成形过程中存在相变、润湿、蒸发等现象；电子束每扫描熔化一层，工作台就下降一层的高度，然后重新铺粉，电子束重复扫描熔化加工，各加工层相互凝结成为整体。整个制造过程是在真空环境下进行的，因而有效地避免了钛合金在加工过程中被氧化的可能性。

图3　EB-PBF技术（a）示意图；（b）物理现象

在增材制造过程中，使用不同的热源（如EB-PBF的电子束与L-PBF的激光）对不同种类的钛合金（如TC11与TC4）进行成形，会导致显著不同的微观组织特征。钛合金微观组织差异主要指α和β两相晶粒的尺寸与含量，通常晶粒尺寸主要受生长时间（即凝固速率）的影响。由于热源特性、能量分布与扫描策略的差异，L-PBF成形的α和β钛合金具有较小的晶粒尺寸和随机的晶体取向，通常具有较高的α和β相含量以及较高的残余应力，宏观形貌中常存在较多的表面缺陷和孔洞，EB-PBF成形的α和β钛合金则具有相反的特点。

L-PBF成形α钛合金微观组织可分为3类，即针状马氏体α′组织、针状马氏体α′+岛状αₘ混合组织与岛状αₘ组织，如图4(a)~(c)所示。与L-PBF钛合金不同，EB-PBF成形的α钛合金组织主要为条状、针状和块状α相。各组织特征存在差异，EB-PBF制备的α钛合金组织以α大晶团与小晶团层状交替排列为主，如图4(d)所示；大晶团内片层定向生长，大晶团片层的下方存在一个由较小的γ等轴晶团组成的过渡区，如图4(e)所示；此外，还可能存在由于逐层堆积过程的导热作用所致γ等轴晶和少量α₂/γ双相态形成的层状组织，如图4(f)和(g)所示；L-PBF成形的β钛合金微观组织由柱状β-Ti基体包围着薄壳状组织组成，如图5(i)所示。

图4　典型α-钛合金的显微组织特征：(a-c) L-PBF成形的TA7合金显微组织；(d, e) EB-PBF成形的Ti-48Al-2Cr-2Nb合金显微组织：(f, g) L-PBF成形的Ti-34.2Nb-6.8Zr-4.9Ta-2.3Si合金显微组织：(h, i) L-PBF成形的β钛合金微观组织

由增材制造钛合金常通过调节工艺参数调控组织实现力学性能的改善。如调节激光功率，制备出力学性能各向同性的弱织构CP-Ti（激光功率高）和力学性能各向异性的强织构CP-Ti（激光功率低），合金垂直于成形方向的屈服强度（832±24 MPa）低于平行于成形方向的屈服强度（1049±40 MPa），如图5(a)和(b)所示；垂直方向韧性断裂的小韧窝断口形貌如图5(c)所示；此外，如图5(d)所示，水平方向断口组织中存在未熔区域，使得应变失效更早发生。如图5(e)所示，通过控制L-PBF过程中的氧含量，制备了CP-Ti，当氧含量为0.17 wt.%时，其断裂抗拉强度可达731.5±5.7 MPa，断口形貌中的韧窝表明合金以韧性断裂为主，并且相比于与其他方法，调节氧含量可使CP-Ti拥有更好的塑性，如图5(f)所示。

图5 EB-PBF在不同方向上形成的CP-Ti合金应力-应变曲线:(a, c)垂直；(b, d)横向；(e, f) L-PBF成形的CP-Ti合金力学性能和显微组织：(e)垂直于沉积方向的工程拉伸应力-应变曲线（插入断口）；(f)本研究与其他研究的断裂拉伸性能比较。

图6为粉末床熔融式增材制造过程中激光与粉末的交互作用以及产生缺陷的多尺度、多物理场现象的示意图。激光对钛合金粉末的作用是一个复杂的过程，宏观上表现为粉末在激光作用下的热效应，而微观上表现为激光在钛合金粉末上的能量交换过程。PBF增材制造钛合金过程中的缺陷分别发生在铺粉和打印过程中，飞溅、球化、气孔等缺陷主要在打印过程中形成，最终保留在成形件中，降低了其性能。

研究结论

（1）本文以粉末床熔融式（PBF）增材制造钛合金研究现状为背景，简要分析了PBF技术中两种方法（L-PBF和EB-PBF）的原理和特点，概述了L-PBF和EB-PBF成形过程中产生的缺陷，以及缺陷的形成机理与解决方法，讨论了两种技术成形的钛合金（α、β、α+β）的组织特征与性能关系，简要列举了部分增材制造钛合金的应用现状，展望了粉末床熔融式（PBF）增材制造钛合金未来可能的发展方向，得出以下观点。

（2）增材制造的非平衡快速凝固特点会导致钛合金成形件性能无法实现最佳，需要从工艺适用性角度发展该技术的专用合金材料，以提高性能。此外，在保证成形件性能的基础上，通过设计引入铁、氧等元素，可以实现降低成本的目标。

（3）L-PBF技术效率低，由于精度和沉积效率不可兼得，在保证高精度高柔性的同时往往需要牺牲效率，因此需要深度优化工艺，提高效率，降低残余应力，增强稳定性，提高尺寸精度；减少支撑、或者无支撑的设计，提高柔性。

（4）由于增材制造过程中高冷却速率造成的缺陷无法有效避免。因此，未来增材设备应考虑添加与快冷相匹配的均匀散热模块，在制造过程中更为有效地减少甚至杜绝缺陷的产生。应结合数值模拟，降低缺陷存在率，降低研发成本。

团队介绍

赵秦阳，1993年生，博士，教授，长安大学材料学院成型系副主任，从事高性能钛合金领域研究工作。入选中国科协青年人才托举工程项目、陕西省高层次人才计划青年拔尖人才；主持国家自然科学基金、国家重点研发计划子课题、173项目子课题、陕西省科技重大专项课题等科研项目；发表第一/通讯作者论文80余篇，作为副主编出版教材3部。担任《中国有色金属学报》等期刊青年编委，主持陕西省教改重点项目1项，获陕西省高等教育科技奖一等奖1项。

陈永楠，教授，博士生导师，教育部首批国家万人创新创业人才导师，交通运输部青年科技英才。长期从事轻合金表面处理技术及产业化、钛合金加工变形及模拟等领域科研工作，先后获批国家自然科学基金、国家重点研发计划、陕西省重大专项等多项国家级、省部级项目，在国际影响力期刊发表论文120余篇，授权并转化国家发明专利7件。