增材制造钛合金微观组织及性能研究进展

［综述·专论］

DOI：10．3969/j．issn．1005－2895．2019．02．001

增材制造钛合金微观组织及性能研究进展

1

张世凯，马

盼

1，2*

，柯林达3，马永超4，赵1，21，21，2

健，于治水，杨尚磊

（1．上海工程技术大学材料工程学院，上海201620；2．上海市激光先进制造技术协同创新中心，上海201600；

3．上海航天精密机械研究所，上海201600；4．山推工程机械股份有限公司，山东济宁272073）

摘

要：随着增材制造技术的不断进步，增材制造能够快速成型精密复杂的结构部件。为了使增材制造Ti6Al4V合金能

够更好地被应用，国内外学者研究了基板预热、激光功率、扫描速率以及后续的处理等多种因素对于增材制造Ti6Al4V合金微观组织和力学性能的影响，发现选择适当的工艺参数及后处理能够提高其综合力学性能。目前，增材制造钛合金在微观结构上还存在一定的缺陷，结构件内的微小气孔以及未融化颗粒等因素阻碍着其力学性能的提高。未来在解决增材制造钛合金构件的应用也将是今后研究工作方向之一。组织缺陷的同时，关

键

词：增材制造；Ti6Al4V合金；基板预热；激光功率；扫描速率；微小气孔；未融化颗粒

文献标志码：A

文章编号：1005－2895（2019）02－0001－05

中图分类号：TF124

MicrostructureandPropertiesofTi6Al4VAlloy

FabricatedwithAdditiveManufacturing

2*

ZHANGShikai1，MAPan1，，KELinda3，MAYongchao4，

222

ZHAOJian1，，YUZhishui1，，YANGShanglei1，

（1．SchoolofMaterialsEngineering，ShanghaiUniversityofEngineeringScience，Shanghai201620，China；2．ShanghaiCollaborativeInnovationCenterofLaserAdvancedManufacturingTechnology，Shanghai201600，China；

3．ShanghaiSpaceflightPrecisionMachineryInstitute，Shanghai201620，China；4．ShantuiConstructionMachineryCo．，Ltd．，Jining，Shandong272073，China）

Abstract：Thecontinuousdevelopmentofadditivemanufacturingtechnologyenablesrapidprototypingofcomplex

structuralcomponents．TomaketheadditivemanufacturingTi6Al4Valloybetterapplied，theeffectsofsubstratepreheating，laserpower，scanningrateandsubsequentprocessingonthemicrostructureandmechanicalpropertiesofTi6Al4Valloywerestudiedbydomesticandforeignscholars．Itwasfoundthattheselectionofappropriateprocessparametersandpost-treatmentcanimprovethecomprehensivemechanicalproperties．Atpresent，themicrostructureof

titaniumalloyhascertaindefects，themicroporesandunmeltedparticlesinthecomponentshindertheimprovementofmechanicalproperties．Inthefuture，whilesolvingmicrostructuredefects，theapplicationofadditivemanufacturingtitaniumalloyscomponentswillbeoneofthefutureresearchdirections．

Keywords：additivemanufacturing；Ti6Al4Valloy；substratepreheating；laserpower；scanningrate；micropores；unmeltedparticles

1钛合金概述

钛合金是以钛为基体加入其他合金元素而构成的

钛合金中常用的合金元素有铝、锡、钒、钼、有色合金，

08-10；修回日期：2018-10-23收稿日期：2018-

铬、铁、硅及铜等。钛合金因密度小、比断裂韧性高、耐

疲劳强度和抗裂纹扩展能力好、韧性及抗腐蚀热性好、

能力强被广泛关注并获得大量应用

［1］

。其中Ti6Al4V

“创新行动计划”“创新基金项目：国家自然科学基金资助项目（051601110）；上海市基础研究领域项目（17JC1400600）；上海市基础研究领域项目（17JC1400601）。行动计划”

第一作者简介：张世凯（1992），男，山东德州人，硕士，主要从事金属增材制造方面的研究工作。通信作者：马盼（1986），女，山mail：mapan@sues．edu．cn副教授，硕士生导师，博士，主要从事金属增材制造/金属非平衡凝固方面的研究工作。E-东泰安人，

·2·轻工机械LightIndustryMachinery2019年第2期

合金是钛合金中使用比重最大的合金，其使用量已占

据全部钛合金使用量的75%～85%，

其余的很多钛合金都可以被看成是Ti6Al4V合金的改型。Ti6Al4V合

金是α+β合金，

组织比较稳定，有良好的韧性、塑性和高温变形性能。目前，

钛合金的应用已涉足航空航天、

汽车以及医疗等多个行业［2］

。随着航空航天结构件一体化及轻量化发展趋势，传统的Ti6Al4V制备方法已经难以满足对精密复杂零件的需求，

增材制造技术的出现解决了Ti6Al4V合金精密构件制造的难题。增材制造无需机械加工或任何模具，

仅利用Pro/E、UG和CATIA等三维造型软件设计出的三维模型就可通过逐层固化叠加的方式直接成

型复杂的精密构件。目前增材制造高性能的精密钛合金构件主要有激光选区熔化（selectivelasermelting，SLM）、电子束选区熔化（electronbeammelting，EBM）两种方法。为了使增材制造Ti6Al4V合金构件能更好

地应用于各行各业，

学者们对SLM、EBM增材制造的Ti6Al4V合金进行了大量的研究。

2

增材制造钛合金微观组织研究

2．1

SLM成型Ti6Al4V钛合金的微观组织研究

激光选区熔化是通过高能量的激光熔化固体的粉

末材料，

然后通过逐层铺粉、逐层冷却固化，最终叠加成三维零件的快速成型技术。朱加雷等［3］2

研究了不

同激光功率和扫描速度对SLM成型Ti6Al4V合金显

微组织的影响。他选取多种不同的激光功率，发现当扫描速度不变，

激光功率不断升高时，在Ti6Al4V钛合金微观组织中可以观察到与针状马氏体相似的结构变

多，

此组织结构是片状α相和晶间β相，而且激光功率越大，

细针状α相的分布越均匀［4］

。He等［5］2

研究了SLM制备的致密度接近98．3%的Ti6Al4V合金不

同沉积方向上的显微组织，

发现在XY方向上形成了胞状初生β晶粒，

而在XZ和YZ方向上形成了柱状β初生晶粒，柱状晶沿着沉积层的沉积方向生长；此外，在XY，XZ，YZ3个方向上都显示有细小的针状α'马氏体。

梁晓康等

［6］

研究了SLM制备Ti6Al4V钛合金及

退火处理后的微观组织。研究发现垂直于堆积（xy方

向）截面和平行于堆积（xz，

yz方向）截面的微观组织有明显的不同。垂直于堆积方向截面的显微组织主要由针状马氏体α'相以及β相组成，

平行于堆积方向截面的显微组织主要由粗大的初生β柱状晶构成，柱状晶主轴基本沿Ti6Al4V钛合金材料堆积方向。晶内呈现典型的魏氏α+β板条组织。退火处理后，

针状α相的体积分数有所增加，α板条发生一定的粗化。蒋

军杰等［7］

发现SLM成型Ti6Al4V的微观组织为细针状α'马氏体，

退火后组织粗化。Ti6Al4V合金试件侧面的微观组织是由贯穿多个熔覆层呈外延生长的β

柱状晶粒组成，正面组织呈网格状，与激光扫描路径的层间旋转角度基本吻合。肖振楠等［8］

研究了SLM成

型的Ti6Al4V钛合金在退火、

两相区固溶及固溶时效3种热处理工艺下微观组织的变化。合金中观察到了细针状马氏体微观组织，

几乎无β相，但通过840℃/2h/空冷退火处理后，

Ti6Al4V钛合金的微观组织由α+β相构成；经940℃/1h/水淬固溶处理后，β相的含量增加，

晶粒变大，形成了α+β网篮状的交错组织；经940℃/1h/水淬和540℃/4h/空冷固溶时效处理后，

形成了均匀弥散的α+β相，且α相变粗。Zhang等［9］3研究了SLM制备Ti6Al4V合金在精锻和水淬火后的微观组织变化，

发现Ti6Al4V合金试样的原始相为α相，

经过精锻和水淬火后，β相含量明显增加。Vrancken等［10］

研究了热处理工艺（先是热

锻，

再是退火）对SLM制备的Ti6Al4V合金显微组织的影响。发现当热处理温度低于β转变温度时，

原马氏体α'相转变为α和β的层状混合物；当热处理温度

高于β转变温度时，

晶粒长大，形成大的β晶粒，冷却后向片状α+β转变。杨晶晶等［11］

研究了SLM成型

Ti6Al4V合金的β转变温度。发现合金内的组织由原柱状β晶粒和与生长方向呈大约±45°的针状马氏体

组成。它的α+β/β相转变温度约为980℃，

与铸造和锻造Ti6Al4V钛合金的β转变温度相近。SLM成型Ti6Al4V钛合金的过程中，裂纹是最常见、破坏性最大的一种缺陷。张升等［12］

研究了SLM成型Ti6Al4V钛合金过程中的裂纹和开裂行为及其成型机理，发现网篮状马氏体组织和温度梯度所导致的残余应力是产生裂纹的主要原因。SLM成型过程中极易积聚热应力，

引起工件的变形和开裂。合适的热处理工艺能够释放由于快熔急凝过程所产生的残余应力，

控制α→β相的转变，调整相的形状、大小和含量，优化合金的微

观组织和力学性能［13］

。2．2

EBM成型Ti6Al4V钛合金的微观组织研究电子束选区熔化成型是在真空环境下以电子束为热源，

以金属粉末为成型材料，高速扫描加热预置粉末，

通过逐层熔化叠加，获得金属零件。周斌等［14］

研究了EBM成型Ti6Al4V钛合金叶轮体的微观组织，发现叶轮体内部存在沿成型方向生长的柱状晶，

组织为网篮状，

而成型截面较小的区域晶粒较为粗大，为粗片［综述·专论］

张世凯，等：增材制造钛合金微观组织及性能研究进展·3·

状的α+β相。葛文君等［15］

研究了不同体能量密度（P/V，激光功率/扫描速率）下EBM成型Ti6Al4V合

金的显微组织，

发现合金内部组织为细针状马氏体、魏氏组织和网篮组织，

细针状马氏体位于成型试样的顶部；随着体能量密度的增加马氏体区高度由7～8个铺

粉层厚增加到22～25个铺粉层厚，

内部组织由细长状魏氏组织变为魏氏组织和网篮组织组成的双态组织，

片状α相的厚度也由1～2μm增加到2～4μm。Safdar等［16］对EBM成型Ti6Al4V合金的微观组织进行了研究。发现在初始凝固过程中形成初生β相柱状形貌，其生长方向平行于沉积方向。EBM制备Ti6Al4V合金的显微组织在β晶界处含有一定的β

相，比金属铸造得到的β相更精细［17］。Murr等［18］

研

究了EBM制备的Ti6Al4V合金的显微组织，

发现合金内部组织以α相为主，

相邻α相之间存在着小尺寸的β相。

通过以上对SLM和EBM成型Ti6Al4V合金的显

微组织分析可发现，

由于SLM法无需预热，冷却速率较大，

其微观组织主要为α'马氏体；而EBM法需进行预热，

冷却速率相对较小，Ti6Al4V合金的微观组织是由α相和少量的β相组成［9］4

。虽然由于成型工艺不同导致显微组织上存在着差异，

但是SLM和EBM成型Ti6Al4V合金的显微组织在平行于沉积方向上都具有初生β相柱状形貌。

3

增材制造钛合金性能的研究

3．1

疲劳性能的研究

3．1．1SLM成型Ti6Al4V合金的疲劳性能研究与传统工艺制备的Ti6Al4V合金构件相比，

由于SLM成型Ti6Al4V合金的显微组织中存在细针状马氏体相，

导致其抗疲劳性较差［19-20］

。Hooreweder等［21］

研究了消除应力与热等静压、

热等静压与化学腐蚀后处理对SLM成型的Ti6Al4V合金构件疲劳寿命的影响。

发现消除应力和热等静压处理后Ti6Al4V合金疲劳强

度（106

周次）从320MPa提高到420MPa；而通过热等

静压和化学腐蚀先后处理的部件的疲劳强度（106

周

次）提升幅度更大，

约提高到了640MPa。疲劳强度是影响SLM制备的Ti6Al4V合金假体能否成功植入人体组织的关键因素之一。Benedetti等［22］

研究了喷丸

加工、

热等静压及电解抛光3种后处理工艺对SLM制备Ti6Al4V合金的疲劳强度的影响。发现喷丸处理所产生较高的残余压应力能够减少疲劳裂纹的产生；热等静压处理能够熔化未熔融Ti6Al4V颗粒并且可以通过降低孔隙率来提高疲劳强度。这2种后处理方法是

提高Ti6Al4V合金疲劳性能的最有效的办法，使其疲劳强度和传统技术制造的Ti6Al4V合金疲劳性能

相当。3．1．2

EBM成型Ti6Al4V合金的疲劳性能研究Ｒafi等［23］4研究发现由于EBM制备Ti6Al4V合金的层状相显微组织导致其疲劳强度性能较差，

仅为340MPa。王哲［24］4研究了EBM成型Ti6Al4V合金的疲劳性能，

发现经热等静压处理后，合金显微组织α相片层变厚，呈短粗状，具有很强的抗疲劳裂纹扩展能力；由于试样内部孔洞缺陷减少，

避免了由孔洞缺陷直接导致裂纹源的形成，

原始试样疲劳强度（107

周次）由400MPa提高至550MPa。刘岩［25］

也研究了EBM成型Ti6Al4V合金的疲劳性能，发现经过热等静压处

理后，

Ti6Al4V合金光滑试样的疲劳强度从原始态试样的450MPa提高到550MPa。但是，

经热等静压处理后，

缺口试样存在的气孔被消除，导致其裂纹方向只沿着主裂纹方向扩展，

而不会产生二次裂纹（二次裂纹的存在会减少主裂纹方向的能量，

降低疲劳裂纹扩展速率），

因此扩展速率加快，使得缺口试样的疲劳强度从原始态的350MPa降低至热等静压态的250

MPa。由于SLM制备Ti6Al4V合金显微组织内马氏体能够阻碍位错运动，

使得其成型的合金疲劳性能优于EBM成型Ti6Al4V合金疲劳性能。3．2

耐磨性能的研究

3．2．1SLM成型Ti6Al4V合金的耐磨性能研究

陈旭斌等

［26］

研究发现经热处理的SLM制备Ti6Al4V试样比传统方法制备的Ti6Al4V试样具有更

低的摩擦因数和磨损率。滑动摩擦初期，磨粒磨损占

主导，逐渐地黏着磨损发生并占主导作用。Zhu等［27］

研究了3种不同工艺制备Ti6Al4V试样（锻造加工，SLM，SLM+热处理）的摩擦性能。发现经过热处理的样品表面具有保护性的摩擦氧化物并且没有发现塑性

变形，

而且磨损率最低；锻造加工的试样磨损最严重。Bartolomeu等［28］研究了SLM制备5种不同开孔尺寸（100～500μm）的多孔Ti6Al4V结构件的摩擦性能。发现随着开孔尺寸的减小，支撑摩擦载荷的接触面积

越大，耐磨性能越好。3．2．2

EBM成型Ti6Al4V合金的耐磨性能研究

目前，

增材制造钛合金在医学领域的应用具有广阔的空间，

主要是用于植入体的制造。但是植入体受到体液和微动的联合作用钛合金通常表现出较差的耐磨性

［29-30］

，这通常会加速金属碎片的释放，减少植入物的寿命。Bruschi等

［31］

研究了EBM制备Ti6Al4V合

·4·轻工机械LightIndustryMachinery2019年第2期

金的切削加工和随后的热处理对磨损行为的影响。结

果表明，

与未经热处理的试件相比，经过热处理的试件具有更低的摩擦因数，

更低的磨损率和更高的磨损度。切削加工和热处理具有协同效应，可以作为改善EBM成型Ti6Al4V耐磨性的有效策略。Jia等［32］

制造的具

有3D分级（宏观/微纳米）孔隙度的Ti6Al4V假体，用传统的微弧氧化技术进行加工，

增强了骨结合的性质并提高了Ti6Al4V耐磨性能。3．3

拉伸性能的研究

3．3．1SLM成型Ti6Al4V合金的拉伸性能研究He等［5］5研究了SLM制备致密度为98．3%的Ti6Al4V合金的拉伸性能。发现该方法得到的合金最大抗拉强度为1261MPa，与锻造Ti6Al4V合金的拉伸强度基本一致。朱加雷等

［3］5

研究了SLM制备的Ti6Al4V合金试件。发现在合适工艺参数（P=300W，V=1．5m/s）条件下，试件的拉伸强度可达到1227MPa，延伸率至8．2%。普通退火处理和再结晶退火处理方法都有利于改善材料的塑性性能，

采用再结晶退火方法可以提高延伸率至19．6%，

但拉伸强度被不同程度的削弱。然而经固溶时效处理后β相向次生片

状α相组织转变，

晶间β相组织变得粗大，导致其不但不能提高试样的延伸率，

而且强度略有下降。3．3．2EBM成型Ti6Al4V合金的拉伸性能研究王哲等

［24］5

研究了EBM成型Ti6Al4V合金和经热

等静压处理后Ti6Al4V合金的室温拉伸性能。发现EBM制备的合金屈服强度（～932MPa）比锻态合金

（～855MPa）高出77MPa，抗拉强度（～1002MPa）比锻态合金（～898MPa）高出104MPa。由于热等静压处理过程中合金组织内位错发生运动，

缠结中的位错重新组合，

位错密度下降，应力得到释放；此外热等静压处理后α相片层粗化，

热等静压处理后Ti6Al4V合金的屈服强度、

抗拉强度均呈现下降趋势。Al-bermani等

［33］

研究了预热温度对EBM成型Ti6Al4V合金和热

等静压处理（～920℃）Ti6Al4V合金的高温拉伸性能的影响。发现预热温度为626～678℃范围内成型的Ti6Al4V合金的屈服强度和抗拉强度没有明显变化，预热温度为700℃时成型的Ti6Al4V合金由于微观组织的粗化导致其屈服强度由930MPa下降到880MPa；抗拉强度由1030MPa下降到994MPa。热等静压处理的Ti6Al4V合金试样，

屈服强度和抗拉强度明显下降，

在预热温度626～678℃范围内经热等静压处理的Ti6Al4V合金的屈服强度保持在870MPa左右，

抗拉强度保持在970MPa左右。预热温度为700℃成

型并且经热等静压处理的Ti6Al4V合金α相粗大，显

微组织明显粗化，

导致屈服强度降低到840MPa左右，抗拉强度降低到940MPa左右。

4结语

目前工业制造领域发展较快，结构形式多样，因此

对加工和材料的要求相应提高。钛合金的特性拓展了其在工业制造领域的应用范围。对Ti6Al4V合金来

说，

传统的制备方法已经难以满足对精密零件的要求，而增材制造技术可以解决此类问题。

由于SLM法制备的Ti6Al4V合金试件内存在α'

马氏体微观组织，

EBM法制备的Ti6Al4V合金试件内存在层状相微观结构，

所以增材技术制备的合金的疲劳性能差于传统方法制备的Ti6Al4V合金。而SLM与EBM相比，

SLM法制备的合金试件疲劳性能好于EBM法制备的合金试件，这主要得益于SLM成型时其内部马氏体结构能够阻碍位错运动。不管是传统方法

还是增材制造方法，

Ti6Al4V合金的耐磨性都比较差。在增材制造上，可以通过热等静压处理和热处理提高

SLM和EBM成型试件的疲劳性能和耐磨性能。SLM法制备的合金马氏体微观组织结构使其拉伸强度比EBM法制备的合金高，而EBM法制备的合金内部的层状α相微观组织使其具有较高的塑性。退火处理

虽能够提高SLM成型延伸率，

但其拉伸强度下降。经热等静压处理后，

由于EBM成型的合金组织内发生位错运动，

位错密度下降，α相片层粗化，导致其屈服强度降低，拉伸强度也降低。虽然增材制造技术能够制造复杂精密的结构部件，但其制造成本较高，难以得到广泛的应用。增材制造制备钛合金结构件，

虽然大幅度提高了结构件的综合性能，

但是在微观结构仍然存有一定的缺陷，结构件内的微小气孔使其疲劳性能严重降低。优化内部缺陷、

低成本、稳定性、产业化及多领域的方向发展需作进一步研究。参考文献：

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