原标题：激光增材制造（LAM）的冶金学方面综述：不锈钢，镍高温合金和钛合金（5）

　　本文重点介绍了各种实际应用的先进和高适用材料的微观结构、功能和机械性能，包括不锈钢、镍基和高温合金、钛基合金和金属基复合材料（MMC），以及不同预处理和后处理特性的影响。本文为第五部分。

　　钛基合金的机械性能与其相应的微观结构密切相关。因此，能够影响制造零件微观结构及其性能的参数，尤其是那些决定制造零件热历史的参数，如冷却速度、扫描速度、热输入、尺寸、几何结构、周围环境等。在Ti–6Al–4V的情况下，机械性能对冷却速率的微小变化非常敏感，这可能会受到部件尺寸或几何形状的影响。一项研究对直径约为1.7毫米和7毫米的样本进行了机械测试，以证明这些假设。与直径为7mm的试样相比，较小的试样（直径为1.7mm）的强度高20%，延展性低80%。较小试样的冷却速度越快，塑性α板条越细，强度越高。此外，小样本中的孔隙相对较大，这一因素导致塑性较低。

　　球形Ti6Al4V合金粉末(20-45 μm，由英国Renishaw提供)采用自己设计和制造的SLM设，采用波长为1080 nm的激光进行加工。上图为实验装置的原理图。

　　孔隙率通常随结构几何形状而变化，这会影响机械性能。缺陷可能会对其他方向的机械性能产生不同的影响。在线性形状缺陷（如未熔合）中，孔隙对建筑方向（Z轴）的机械性能的损害远大于纵向（X–Y轴）。这是由于此类缺陷在纵向上的定位，导致在横向上施加荷载时，其边缘处出现高应力集中，而在承受纵向荷载时，没有明显的应力集中。据报道，这类部件的伸长率相差近30%。

　　表6显示了LAM固化Ti-6Al-4V构件的机械性能。根据这些数据，激光能量的增加导致熔池尺寸的增大，降低了温度梯度，从而导致更大的先验晶粒和更厚的板条。这种粗化结构会降低产品的强度和硬度。此外，由于Ti–6Al–4V合金的轻微加工淬透性，柔性的增加通常伴随着强度的显著损失。根据表6中所示的数据，可以建立增材制造钛合金的抗拉强度和延伸率与失效之间的相关性，这取决于增材制造钛合金相对于这些合金的常规状态的添加路径。这一趋势如图24所示。根据这一点，通过从传统状态向DED线材、DED粉末和PBF印刷合金转变，结构显示出更高的强度，并变得更脆（较低的延展性）。这种发展可以用来改变材料的沉积方式，并提高这些AM策略之间的凝固冷却速度。

　　表6 与具有相同规格的钛基合金的常规状态相比，竣工和热处理钛基合金的机械性能总结。

　　图24 文献（见表6）中报告的Ti–6Al–4V钛合金的拉伸强度和断裂伸长率范围广泛，该合金采用不同的增材制造技术进行处理，涉及退火前后的常规状态。

　　快速冷却速度产生的精细马氏体结构（α′）使制造的部件具有的强度。通过控制参数，可以提高屈服强度和延展性，以实现细化晶粒。此外，不锈钢加工件与层状α结构相比，马氏体相的更细板条在保持延展性的同时提供更高的强度。

　　LAM参数的优化可导致制造过程中的微观结构细化，从而使加热循环充当先前沉积层的热处理。这种方法导致马氏体相的原位分解，从而实现高强度和高延展性。由于冷却速度较低，DED加工成分的屈服强度通常低于PBF制造零件。这是基于冷却速度和制造零件的微观结构对机械性能的重要性。

　　PBF过程中线性热输入的增加可以通过消除熔合缺陷来提高机械性能。它还可以帮助减少零件中的孔隙率。然而，过多的线性热输入会导致材料蒸发，从而形成气孔。此类孔隙对延伸性能有恶化影响，并对强度相关性能产生负面影响。预期DED沉积材料中也会出现类似的行为；然而，在进行任何推断之前，对这一问题的进一步研究至关重要。另一方面，对试样进行热处理是控制其机械性能各向异性的有效方法。如图25a、b所示，即使是轻微的应力消除热处理也会影响试样的各向异性，从而在不显著降低强度的情况下提高延展性。这种方法可以提高机械性能，类似于商用和锻造Ti–6Al–4V零件的机械性能。图25c显示了SLM制造样品和锻造样品在不同方向上的应力-应变图之间的简单比较。试样的拉伸性能略好于锻造材料，但延展性较差。根据图26所示的可达到的机械性能的比较，LAM制造零件的抗拉强度略高于商用对应零件。同样，它们的延展性低于商业制造的结构这个问题依然存在。

　　图25 LAM沉积Ti–6Al–4V合金的应力-应变图：在（a）成型和（b）应力消除条件下不同方向测试的试样的拉伸数据。（c）拉伸和SLM印刷材料的纵向和横向拉伸流动曲线的比较，显示机械性能的方向性。

　　图26激光增材制造的Ti-6Al-4V钛合金在热处理前后不同生产路线下的主要拉伸性能与商用薄板材料相比(此图与表6的拉伸结果有关)。

　　上图a-f显示了使用23 vol%CH4浓度制的TiC/Ti6Al4V复合材料的EDS分析：图a、b分别显示了光谱1的高角度环形暗场和EDS。根据EDS，颗粒富含Ti和C，它们之间的原子比接近1:1，表明TiC增强体被纳入Ti6Al4V基体中。图c-f分别显示了C、Ti、Al和V分布的EDS元素图。在沉淀中，C变得富集，Ti显示出相当均匀的分布，而Al和V显示出显著的贫化区，这为TiC的存在提供了充分的证据。

　　与常规合金（不锈钢、镍基高温合金和钛合金）相比，第3.1.2.4节中提到的微观结构细节和固态相变可以控制这些先进/新型合金（尤其是铝基、镁基、锆基和高熵合金）的功能性能。通过比较这些合金与商业生产的合金的性能，强调了主要机械特性之间的一些相似和不同之处。根据文献中的报告可以发现一种典型的趋势，通常与通过优化LAM加工条件整合3D对应物有关，与传统制造相比，由于高冷却速率和循环处理，在所有情况下逐层沉积形成更细的晶粒结构，从而产生了更高的机械强度。因此，有关其他类别激光增材制造的金属和合金的微观结构-机械性能关系的评估相关性与当前商业化工业材料（铁基、镍基和钛基）文献调查中表达的趋势非常一致。

　　与静态机械性能类似，LAM制造部件的疲劳强度与其微观结构有着深刻的联系。Ti–6Al–4V合金作为医疗、航空航天和海洋工业中常用的部件，其疲劳强度已得到深入研究然而，由于许多实际问题对疲劳行为起着决定作用，因此疲劳试验结果的比较差异很大。实验数据中的分散可能是由内部缺陷造成的，如LAM制造零件的孔隙率和不满意的层粘合。因此，需要对所生产部件的疲劳性能进行终预测。

　　无论在何处对结构施加循环荷载，疲劳寿命都非常重要。缺陷的存在（表面或基体上）会形成应力集中，导致产品在循环载荷下更快失效，疲劳寿命或耐久极限大大降低。

　　LAM组件中关键的疲劳强度相关问题是装配零件的表面粗糙度，因为这可能会作为应力集中点，导致更快的裂纹萌生。在Ti–6Al–4V合金的情况下，这一前提被用于试验，结果表明，表面粗糙度的降低会提高装配部件的疲劳寿命。此外，还对316L和15-5 PH不锈钢在竣工条件下与加工后进行了检查。表面加工后，316L不锈钢零件的疲劳极限从200MPa提高到255MPa。机械加工和抛光的结合导致疲劳极限高达269 MPa。相比之下，锻造316L不锈钢的疲劳极限多为207 MPa。在15-5 PH试样的情况下，加工LAM制造的结构导致849 MPa的疲劳极限，显著高于锻造零件的疲劳极限（270–372 MPa）。对DED预制Ti–6Al–4V组件的其他研究表明，表面附近存在具有尖锐特征的大空隙，对零件的疲劳寿命影响。

　　对经热处理的DED制造的Inconel 718高温合金和Ti–6Al–4V钛合金的研究结果表明，尽管LAM制造的零件具有多孔结构，但其疲劳极限几乎与锻造零件相同。值得一提的是，裂纹是从试样表面附近开始的，在试验后，可以在断裂表面上发现由气体和未熔合引起的高密度孔隙。

　　除了表面质量外，内部缺陷对LAM沉积零件的疲劳性能也有重要影响。气孔和因熔化不足而产生的缺陷是LAM制造组件常见的内部缺陷。缺陷的大小、数量、位置和形状是关键的因素。具有锐边的线性形状缺陷是由拐角处形成的高应力集中引起的有害的缺陷，导致在低得多的载荷下产生裂纹。对DED制造的Inconel 718高温合金进行的试验表明，在高周疲劳试验期间，试样具有由低熔点引起的明显气孔，多只能显示常规制造试样的一半疲劳寿命。

　　观察结果表明，当对构建平台施加高温时，试样表面附近缺乏熔合空洞（超过50μm）对疲劳性能有更有害的影响。大量的气孔可能会对部件的疲劳寿命造成负面影响。在此类缺陷数量较少的情况下，疲劳性能的变化并不像因其尺寸和球形而缺乏熔合空洞所引起的变化那样剧烈。

　　由于微观结构对机械性能的影响，微观结构的任何变化都可能改变疲劳性能。在制造过程中，改变试样的几何形状或尺寸可能会导致不同的热历史。这可能是由于层间时间的变化。此外，当在同一块预制板上制作相同尺寸、数量相同的额外试样时，可能会导致不同的层间时间，从而影响热梯度、热历史和终微观结构。这可能会导致竣工试样的疲劳性能出现差异。

　　制造后热处理和热等静压是用于获得更好疲劳性能的其他加工方法。经热机械处理的样品通常具有粗化的微观结构，由于孔隙闭合，密度增加。除此之外，热处理的另一个结果是应力消除和位错密度降低。结果表明，热处理和HIPed试样的疲劳性能相似。人们认为，与残余应力、位错密度和微观结构相比，孔隙度对疲劳性能的影响较小。研究了热等静压和热处理对AM制造的Ti–6Al–4V组件疲劳阈值和裂纹扩展的影响。两种工艺的结果几乎相同，从而改善了构件的疲劳性能。

　　当试样进行热等静压试验时，在竣工表面处理条件下，未观察到其疲劳性能的显著变化。然而，铣削后进行热等静压处理可以提高疲劳性能。在另一项研究中，减少PBF处理的316L不锈钢的表面粗糙度和封闭基体中的空隙被认为是提高装配零件疲劳性能的有希望的方法。表面加工将竣工材料的疲劳极限从108 MPa提高到267 MPa。随后的退火进一步将其提高到294 MPa，而经过机加工和热等静压的材料达到317 MPa的疲劳寿命。对一项对Ti-6Al-4V多轴加载试样的研究表明，除了低周疲劳扭转试验外，常规制造的试样具有明显更好的疲劳性能。

　　图27a以S–N曲线的形式展示了成型方向对Inconel 718高温合金疲劳性能的影响。结果表明，在构建方向（Z轴）承受循环载荷的试样表现出较低的疲劳性能。结果表明，不同方向的微观结构变化以及表面粗糙度是导致加工零件各向异性行为的主要因素。此外，不同取向试样中的残余应力会显著影响试样的疲劳性能。

　　图27 (a) Inconel 718高温合金的S-N曲线与疲劳试样相对于建筑方向的取向有关。(b) Ti-6Al-4V钛合金在不同LAM参数下的S-N曲线。第二张图上的阴影颜色图案表示通过SLM处理的高热输入指数钛合金疲劳数据变化的散射范围。

　　热输入在确定固结对应物的微观结构和残余应力方面具有关键作用。由于这些参数与试样的疲劳性能之间存在联系，不锈钢加工件因此可以将热输入视为对疲劳性能有影响的参数。图27b显示了采用不同线V钛合金LAM打印样品的S–N图。在热输入为0.3 ~ 0.08 J/mm的条件下制的SLM打印试样表明，当热输入为0.222时，相对于0.125 J/mm，增加热输入可以获得轻微的疲劳性能改善。然而，过度增加至0.3 J/mm，导致疲劳强度从350 MPa降至300 MPa。这被认为是大量和更大尺寸孔隙形成的结果。另一方面，不锈钢加工件由于熔融不足，能量密度低于0.125 J/mm的样品的疲劳极限（约100 MPa）显著下降。结果证明，未熔合和拉长缺陷对装配零件疲劳性能的影响更大。

　　本文重点介绍金属零件的LAM整合技术的现状，强调不同制造路线、微观结构和可实现功能特性之间的关系。由于激光参与熔化原材料而产生的高温梯度会导致制造零件的细晶粒结构。此外，快速凝固会导致非平衡微观结构和相形成，这可能会在局部发生变化。由于工艺参数和制造方法的变化，热流通常各向异性地倾向于建造方向作为导热方向。因此，预计微结构织构和细长晶粒会导致制造零件的各向异性性能。由于LAM方法中的逐层处理，对先前固化的基层进行循环加热和冷却，可以作为热处理，这将改变所生产部件的终结构。这些热循环对试样结构的影响不同，例如将马氏体相等脆性相分解为更具韧性的等级、应力消除和晶粒生长。尽管如此，后加工热处理可以更有效地调整微观结构和机械特性。根据文献中报道的显微镜细节，LAM制造的金属和合金的微观结构特征是以胞状、树枝状和等轴形态的形式凝固的，这些特征可能会受到固态相变操作的影响，具体取决于材料化学。

　　由于对参数和各向异性问题的敏感性，LAM金属零件很难与传统材料的动态载荷性能匹配。这些结构的静态机械性能结果可能会抑制商业固结体的静态力学性能。与传统的制造状态相比，在几乎所有情况下(至少与薄板产品形式相比)，LAM沉积组件的压痕硬度和抗拉强度形式的主要机械响应表现出了更好的趋势。这归因于层叠金属沉积过程中LAM处理的快速冷却形成了细胞结构和细化晶粒。对不同LAM制造金属零件的各种研究表明，可以实现与传统制造零件相当的疲劳性能。目前对LAM零件疲劳性能的研究为LAM制造零件提供了一个有前途的前景。由于对制造参数对终性能的影响的掌握迅速增长，将能够用各种具有所需性能的合金制造高功能零件。

　　后，研究从确定不同合金的力学性能和制造转变为优化潜在性能，避免结构缺陷，控制化学成分，利用LAM基现象在构件中制造定制化、复杂的结构，将成为功能梯度材料生产的一个广阔领域。此外，通过LAM逐层整合进行合金设计，将是未来通过开发用于高科技应用的新型先进材料来进一步发展该领域的一个有趣话题，因为考虑到钢、高温合金和钛合金在各个行业中的关键重要性和影响，本综述仅对钢、高温合金和钛合金进行了综述。
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