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激光增材制造鈦合金工藝材料與后處理的前沿綜述

2024-08-20

在當今先進制造技術領域，激光增材制造鈦合金技術正展現出巨大的潛力和廣泛的應用前景。本文將深入探討這一技術在工藝、材料和后處理方面的最新研究進展。

激光增材制造鈦合金的工藝主要包括粉床激光熔融（LPBF）和激光定向能量沉積（LDED）兩種關鍵技術。這些工藝參數對鈦合金的組織性能有著至關重要的影響。例如，激光功率、掃描速度、層厚、掃描間距和能量密度等參數會直接影響鈦合金的致密化行為。較高的激光功率通常有利于促進先驅-β晶粒的柱狀生長并粗化馬氏體α'，而較高的掃描速度則可加速固化速率并提高鈦合金的強度。然而，參數設置不當也可能導致材料蒸發過度、形成匙孔或能量輸入不足產生缺陷等問題。

掃描策略同樣對鈦合金的制造有著重要影響。不同的掃描策略會影響殘余應力、失真、晶體學紋理和晶粒形態。線性掃描是最常用的策略，而島嶼掃描僅在LPBF系統中采用。合適的掃描策略可以提高鈦合金的相對密度和耐腐蝕性能。

層間停留時間也是一個關鍵因素。短的層間停留時間會導致熱積累增加，促進沉積過程中亞穩相的原位分解；相反，較長的層間停留時間可以細化微觀結構并提高強度。

反應性LAM技術在半惰性氣氛下進行，可以引入微量間隙元素，提高鈦合金的力學性能。例如，采用特定反應氣氛可以細化微觀結構、提供固溶強化或誘導納米級分散體的形成。

樣品幾何形狀和構建方向對激光增材制造的鈦合金的殘余應力分布、顯微結構和性能也有顯著影響。不同位置和構建方向會導致鈦合金的顯微結構和性能發生變化，這在選擇構建方向時需要考慮構件的形狀和所需的力學性能。

此外，高保真機理建模通過包括有限元分析和相場建模在內的先進計算方法，能夠模擬多尺度的激光增材制造過程，優化處理參數，提高機械性能并減少構件缺陷。

在材料方面，激光增材制造的鈦合金主要分為α-Ti、(α+β)-Ti和β-Ti合金。不同類型的合金具有各自獨特的微觀結構和力學特性。例如，α-Ti合金通常包含完全馬氏體α'微觀結構，(α+β)-Ti合金以Ti-6Al-4V合金為代表，通常呈現出馬氏體α'和大量納米孿晶，β-Ti合金則主要由亞穩態β晶粒組成。

后處理方法對于改善激光增材制造鈦合金的性能至關重要。傳統和新型熱處理、熱等靜壓以及先進表面處理工藝如超聲和激光噴丸等，可以改善合金的韌性、減輕殘余應力、分解馬氏體相并提高合金的疲勞壽命。

展望未來，激光增材制造鈦合金領域有著廣闊的發展前景。智能工藝優化方法利用機器學習等技術加快參數優化過程；工藝創新與集成包括場輔助增材制造、反應性LAM等先進工藝以及設備創新；材料定制和創新關注低密度高強度、低成本可持續、耐雜質、生物醫用低模量等鈦合金的研究；后處理驗證和創新注重時間和能源效率、微觀結構和性能均勻性、可擴展性和成本、標準化與認證等方面的研究。

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