2019, Vol. 40
TC4钛合金因具有耐腐蚀、比强度高、韧性好、生物相容性优异等特点，广泛应用于航空航天、化工、生物医疗等重要领域[1]。但传统工艺下加工TC4钛合金存在材料利用率低、制造成本高、难变形等缺点，严重限制了TC4钛合金的推广应用，3D（three dimensional，3D）打印技术的出现将改善这一现状。
3D打印其学名为增材制造（material additive manufacturing，AM），起源于20世纪90年代的快速成型技术（rapid prototyping，RP）。区别于减材制造，它采用了离散/堆积原理[2]，利用计算机技术将加工零件的3D实体模型切成一系列具有一定厚度的薄片，3D打印设备对加工数据分析处理后连续加工出每一个薄片并进行堆叠，继而形成致密实体零件。3D打印技术适用于加工任何形状的零件，并具有材料利用率高、成本低、高柔性和高集成化等优点[3]，特别适合TC4钛合金的成型。3D打印技术主要有选择性激光熔化成型技术（selective laser melting，SLM）、激光近净成型技术（laser engineered net shaping，LENS）和电子束熔化成型技术（electron beam melting，EBM）。其中，EBM成型相较于其他两种成型技术有很多优势：（1）EBM成型采用电子束为能量源，制造过程中无反射，能量利用率高；（2）EBM成型是在真空环境下进行的，能够有效避免空气中其他元素的污染；（3）EBM成型由于能量输入高，扫描速度快，所以成型效率比其他成型技术高；（4）EBM成型零件的残余应力较小，可不需要后续热处理，节省能源[4]。
本文从EBM技术原理出发，对国内外相关研究成果进行归纳总结，阐述不同工艺参数下EBM成型TC4钛合金制件的显微组织、缺陷及其力学性能，最后对其应用前景进行展望。
1 EBM原理及主要参数EBM技术的工作原理[5-7]如图1所示。首先，通过Magics19.0软件对零件三维模型按一定的厚度进行切片分层处理，从而获得零件的整体二维信息。然后，EBM系统均匀地将合金粉末按照一定的厚度平铺至基板上，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。电子束每扫描熔化一层，工作台就下降一个层高度，然后重新铺粉，电子束重复扫描熔化加工，并且每个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，从而有效地避免了钛合金在加工过程中被氧化的可能性。制造完成后，EBM系统将零件从建造室中取出并放置在粉末回收系统（powder recovery system，PRS）中，在PRS中使用高压空气以除去黏附在零件表面上的粉末，最终得到表面光滑的成型零件。
EBM技术的主要参数有电子束电流、加速电压、扫描速度、层厚度、扫描线间距和焦点补偿等[5]，通过调整这些参数可以获得不同的能量密度，如增大电子束电流或降低扫描速度，就可以获得更高的能量密度。能量密度的大小很大程度上影响了成型件的显微组织、缺陷及力学性能，合适的能量密度将会使合金具有更好的力学性能。由于EBM技术独特的成型工艺，EBM成型TC4钛合金成型件与常规制造（如锻造）TC4钛合金成型件的显微组织和力学性能有所不同。
2 EBM成型TC4钛合金显微组织及缺陷 2.1 EBM成型TC4钛合金显微组织与影响因素EBM成型TC4钛合金在成型过程中的温度变化影响了它的显微组织[8-10]。首先，粉末在电子束的作用下熔化，液态合金温度达到1 700 ℃左右，远高于TC4钛合金β相转变温度（995 ℃），此时液态合金由原始的β晶粒构成；而后，随着电子束的远离，液态合金迅速冷却至构建温度（一般为650～700 ℃）保持稳定，变为固态，此时合金发生α→α+β，析出针状α相与柱状β相。Al-Bermani等[10]认为在此阶段冷却速度大于410 ℃/s时，会析出亚稳α'马氏体，长时间处在高温环境中又使之分解为α+β层状结构，且大部分为细小的针状α板条，少部分为β相。而后成型TC4钛合金由构建温度缓慢冷却至室温，合金显微组织没有明显改变，仍由α+β相构成。EBM成型TC4钛合金与锻造成型TC4钛合金显微组织如图2所示。
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图 2 不同成型工艺TC4钛合金的显微组织图[8] Fig. 2 Microstructure images of TC4 titanium alloy with different forming processes[8] |
国内外学者针对EBM成型TC4钛合金显微组织做了大量研究，发现成型工艺参数、成型件的位置、成型件尺寸等因素均会影响成型过程中合金的冷却速率，进而影响其晶粒尺寸。Hrabe等[11]发现，在保证能量输入可以使TC4钛合金粉末完全熔化形成致密零件的条件下，适当增大电子束扫描速度，会造成熔池尺寸减小，冷却速率增大，从而析出更细小的α板条及β相。Murr等[12]和王等[13]发现EBM成型TC4钛合金不同位置的显微组织不同。如图3所示，沉积高度较低的位置，由于更靠近成型基板从而具有较高的冷却速率，是不稳定的生长区，易于析出细小针状α相；沉积高度越高的位置，其α板条越厚，β晶粒越大；沉积一定高度后，处于稳定生长区，α板条以及β晶粒尺寸趋于稳定。Wang等[13]也研究了成型件尺寸对EBM成型TC4钛合金显微组织的影响，发现在逐层熔化凝固过程中，尺寸较小的样品的冷却速率较大，因此析出更为细小的α相。Galarraga等[14]进一步研究发现，EBM成型TC4钛合金显微组织的变化与其在构建室的停留时间有关，如果停留时间过长，反而会造成沉积高度底的位置沉积高度更低、显微组织更粗大的结果。
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图 3 TC4钛合金不同沉积高度的显微组织图[13] Fig. 3 Microstructure images of EBM TC4 titanium alloy at different position[13] |
由于工艺参数的不当选择或工艺干扰，EBM成型TC4钛合金零部件可能会产生各种缺陷。Zhai等[15]发现EBM成型TC4钛合金显微组织中存在两种典型的缺陷：一种是由缺陷粉末中夹带的氩气引起的孔隙，如图4（a）所示；另一种是由于合金粉末的熔化不良导致的孔隙，见图4（b）。
Gong等[16-18]根据输入电子束能量密度的高低将TC4钛合金缺陷分为两大类。当能量密度过低时，不足以使熔池与熔池、层与层之间完全连接，形成了不规则的熔化缺陷，并伴随一定量孔隙。当能量密度过高时，导致局部热量急速上升，粉末熔化时在表面张力的作用下球化（粉末的导热系数低），进而形成的孔隙。Kahnert等[19]发现能量输入过高，不仅会使成型件表面质量变差，严重时还会导致涂粉系统的靶机停止工作，使得制造过程本身必须中止。此外，当电子束电流超过某一阈值，合金粉末会被吹走，在层中留下了不规则的孔隙，严重时会使得整个粉末床发生溃散，如图5所示；对粉末床进行预热，以提高其黏附性，克服电子束对合金粉末的推力，可以避免粉末溃散现象的发生。缺陷会对TC4钛合金的力学性能产生不利的影响，必须优化EBM工艺参数，如控制扫描速度、调整扫描线间距和优化电子束电流等，减少缺陷的产生。
3 EBM成型TC4钛合金的力学性能 3.1 EBM成型TC4钛合金的拉伸性能
表1列出了不同EBM成型工艺下TC4钛合金的力学性能。Bruno等[8]研究了EBM成型与锻造成型的TC4钛合金的拉伸性能，由于EBM成型TC4钛合金在成型过程中很容易出现孔隙缺陷，并且其显微组织分布不均匀，导致它的抗拉强度、屈服强度最高分别为996 MPa和919 MPa，略低于锻造成型的TC4钛合金的强度（抗拉强度和屈服强度分别为1 034 MPa、991 MPa）；王等[20]也研究了EBM成型TC4钛合金的拉伸性能，发现它的抗拉强度为1 002 MPa，屈服强度为932 MPa，伸长率为14.4%，所有的性能指标均高于TC4钛合金锻件经退火时效处理后的性能。
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表 1 EBM成型TC4钛合金力学性能 Tab. 1 Mechanical properties of EBM produced TC4 titanium alloy |
EBM成型TC4钛合金的力学性能存在显著的各向异性。Bruno等[8]和Hrabe等[11]发现EBM成型样品的水平方向的抗拉强度强于竖直方向的抗拉强度（表1），而成型样品的水平方向的伸长率小于竖直方向的伸长率。这是由于合金内部β晶粒不均匀造成的：成型样品主要沿垂直方向生长；水平方向形成较小的初生β晶粒减小了晶界处的应力堆积，从而延缓了裂纹萌生，使之具有略大的伸长率。
Hrabe等[11]发现电子束扫描速度（与能量密度负相关）增大会使α板条的厚度略微减小（1.16 μm→0.95 μm），进而使抗拉强度、屈服强度和显微硬度分别提高了2%，3%和2%。
Formanoir等[21]将EBM成型TC4钛合金分别在950 ℃保温60 min和1 040 ℃保温30 min，均采用水冷和空冷两种冷却方式，合金的抗拉强度和屈服强度略有降低，伸长率未得到显著提高，表明只有控制EBM成型关键参数是提高合金性能的有效方法。
3.2 EBM成型TC4钛合金的疲劳性能Chan等[22]测试了EBM成型TC4钛合金与轧制TC4钛合金在600 MPa（±10%）的交变弯曲应力作用下的疲劳寿命（循环次数）。结果表明EBM成型TC4钛合金的疲劳寿命仅为轧制合金的疲劳寿命的17%；EBM成型TC4钛合金的断口处分布着由于熔化不良区域导致的不同形状的孔隙，且其表面粗糙度也远高于轧制TC4钛合金，这是其低疲劳寿命的重要原因。
Tammas-Williams等[23]发现热等静压（hot isostatic pressing，HIP）处理能有效地消除EBM成型TC4钛合金中的绝大部分孔隙，如图6所示。但如果样品中存在一些隧道孔并且连接到表面，HIP处理下的高压氩气会渗透到隧道孔中，使得这些隧道缺陷轻微扩张，造成HIP处理失效；在HIP前对样品添加涂层，可去除隧道缺陷。Shui等[24]发现EBM成型的TC4钛合金经HIP处理后，虽然α板条变厚，位错密度降低，抗拉强度以及屈服强度分别由870 MPa和788 MPa降至819 MPa和711 MPa，但HIP处理使组织变得更加均匀，合金相对密度由99.3%上升至99.8%，减少了裂纹萌生源，进而使疲劳强度由460 MPa升高至580 MPa。
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图 6 EBM成型TC4钛合金HIP处理前（左）后（右）XCT孔隙缺陷图像[23] Fig. 6 Examples of aligned vertical internalslices from XCT data collected as-built (left) and after HIPing (right)[24] |
综上所述，国内外针对EBM成型TC4钛合金的研究结果表明：EBM成型TC4钛合金宏观组织为沿构建方向生长的柱状晶，显微组织为α+β层状结构，冷却速率越快，越易得到更精细的显微组织。优化工艺参数使EBM具有最佳能量密度，能有效避免大量缺陷的产生。后续HIP处理也能够去除孔隙并使显微组织均匀，虽然导致晶粒粗化、降低位错密度，合金强度略有下降，但却能显著提高疲劳性能。优化EBM成型过程的各项参数，辅以恰当的后续处理，能够获得与常规铸锻方式性能相当的TC4钛合金。EBM节省原材料、速度快、效率高，便于复杂形状工件成型，必将逐步取代目前的减材制造方式应用于航空航天、化工和医疗等领域。
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