增材制造工艺及热处理对Ti-6Al-4V合金组织和性能的影响

董万鹏, 高华兵, 果春焕, 董 涛, 杨振林,李海新, 姜风春,*

（1．哈尔滨工程大学 烟台研究生院, 山东 烟台, 264000；2．哈尔滨工程大学 材料科学与化学工程学院, 哈尔滨, 150001）

增材制造(additive manufacturing，AM)，又被称为3D打印技术，是指运用计算机软件建立零件的三维模型，通过特定打印技术以逐层熔凝堆积的方法将离散材料(粉末、液体、丝材等)加工成形的一种低损耗叠层加工技术，它是用材料逐层堆叠、自下而上的方法来制造工件的技术，相对于传统的材料去除(减材)加工方法，它是一种“增材”的制造方法[1-2]。增材制造技术可以直接使用在其他软件得到的三维模型数据，将其导入到增材制造设备里直接快速地制造出复杂形状的零件，不像传统的减材加工需要多道加工工序，可以显著地简化工序，缩短加工周期[3]。与传统的金属材料制造工艺设备庞大、生产耗时高、能耗高、原材料利用率低、污染大等特点相比，增材制造技术具有材料综合利用率高、工序少、成本低、设计自由度高、可用于制造复杂结构的零件、易于实现智能化、效率高等优点[4]。

Ti-6Al-4V(TC4)由于具有比强度较高及较好的韧性和焊接性等优点，在航空航天、石化、船海、医药等部门得到了广泛的应用。钛合金通常采用铸造、锻造、机加工、粉末冶金或者凝固成型等传统工艺来制造成零部件，但如果要加工形状结构复杂的钛合金零件，传统加工工艺可能加工质量较差甚至是完全无法加工。传统的钛合金加工制造技术主要为减材制造、铸造、锻造等。常见的减材制造加工方式为切削和铣削，由于钛合金的导热性差，切削时切削热不容易从工件上传导出去，几乎完全靠切屑带走加工过程中产生的热量，因而刀具部分很容易造成热积累，产生粘刀和刀具的高温失效。此外，由于钛合金的硬度较高，切削变形系数小，所以切削过程中刀具上所受到的力非常大，容易造成崩刃，使刀具失效[5-6]。铸造最常见的问题是钛合金化学性质极为活泼，就算残留氧含量微少也很容易与钛发生反应产生氧化层，降低成形后工件的综合性能，并且在铸造过程中同样容易形成缩孔、塌陷等组织缺陷。采用整体锻造制造钛合金结构件，不仅需要大型锻压设备，生产周期长，制造成本高，而且难以制造复杂形状的结构件，材料利用率低[7-8]。

相对于传统加工工艺，增材制造技术则拥有无可比拟的优势，可以解决传统加工中的问题。增材制造可以直接打印出想要的零件，节约材料，基本无需后续加工，并且不需要模具和专用夹具就可以制造形状复杂的零件。通过增材制造技术制造飞机的关键零部件，舰船的发动机叶片等，不仅能提高零件的机械强度，还具有很高的生产效率[9]。然而，增材制造过程中工艺参数的改变以及不同热处理方式对增材制造TC4钛合金微观结构以及力学性能有很大的影响，本工作综述不同增材制造工艺参数和热处理方式对增材制造TC4合金组织和性能影响，探讨进一步提升增材制造钛合金构件性能的有效途径和增材制造领域未来发展的关键。

1 增材制造TC4合金简述

目前国内外广泛使用的增材制造设备种类繁多，常用的增材制造原材料形态为粉末状和丝状，原材料为丝状的根据热源的种类可分为激光熔丝增材制造(laser and wire additive manufacturing，LWAM)、电弧熔丝增材制造(wire and arc additive manufacturing，WAAM)、电子束熔丝增材制造(electron beam fuse additive manufacturing，EBAM)。原材料为粉末状时，根据增材制造设备内粉末的进给方式大致可分为预铺粉型和同轴送粉型。预铺粉型比较有代表性的有选区激光熔化(selective laser melting，SLM)、电 子 束 选 区 熔 化(selective electron beam melting，SEBM)；同轴送粉型比较有代表性的是激光金属沉积(laser metal deposition，LMD)。

送粉型钛合金增材制造出现较早，有较长的发展历史，发展比较完善，因此送粉型增材制造钛合金是目前国内外研究的主流，送粉型增材制造钛合金成形后的组织主要为魏氏组织，性能基本上能满足要求，但伸长率比较低，因此需要进行进一步的后处理，经热处理工艺后，魏氏组织可以向网篮组织转变，因而可以提升综合性能。

粉末激光增材制造中粉末的利用率较低，并且粉末粒径较小，容易污染设备和环境，制备相对不方便，价格较高，而送丝型激光增材制造材料利用率很高，没有粉尘污染，原料制备更加简单，具有更高的经济性。因此，近些年来，送丝增材制造技术研究逐渐成为增材制造研究的主流方向。送丝增材制造钛合金由于能量输入方法不同，熔池形貌和冷却速率不同，成形后的组织主要为魏氏组织和网篮组织，成形后零件的综合性能强于传统制造方法和送粉型钛合金增材制造所制造的零件[10]。

TC4合金是一种常见的、应用十分广泛的α+β型两相钛合金，该合金与许多α+β型钛合金一样，具备较好的高温性能以及可加工性，也可以进行热处理，有较好的综合力学性能[11]。TC4合金以α相为主，一般含有5%左右的β相，含有6%的α相稳定元素Al及4%的β相稳定元素V。因为TC4合金主要由两相构成，所以稍微改变加工条件或其他因素就可改变两相的比例和形态分布，改变材料的微观结构从而得到不同性能的钛合金。

2 增材制造工艺参数对Ti-6Al-4V合金组织和性能的影响

研究表明，通过对增材制造的工艺参数进行合理调控，可以获得近致密的TC4合金[12]。其中对增材制造合金性能影响最大的是能量输入功率和扫描策略。

2.1 能量输入功率和扫描速度的影响

能量输入功率和扫描速度的大小直接决定粉末材料或者丝材的熔化状况、熔池的形状和流动状况、缺陷的类型和大小，图1为激光功率和扫描速度对成型件的孔隙率的影响[13]。

图1 增材制造成形构件孔隙率随激光功率和扫描速度变化曲线[13]Fig. 1 Variation curve of porosity of additive manufactured component with laser power and scanning speed[13]

Gong等[14]综合考虑能量输入功率与扫描速度，改变增材制造中的扫描速度和激光输入功率，对比不同能量输入功率制造的TC4成形件内部缺陷情况，结果表明，在合适的工艺参数范围内，试样的显微结构几乎不产生缺陷。当能量输入功率不足时，粉末颗粒或者丝材熔化不足，熔池会出现中断不连续，产生较大的塌陷变形或者是大量的未熔合缺陷；此时随着能量输入功率增加，熔池的温度逐渐升高，成形件内部缺陷逐渐减少，当能量输入功率过大时，缺陷在试样中呈随机分布，并且形态一致性较高[15-17]。在扫描速度不变的情况下，随着能量输入功率的增高，成形件内部缺陷减少，成形件致密度提高；能量输入功率不变时，扫描速度增加组织晶粒变细[18]。

能量输入功率影响着增材制造过程中缺陷的形成和试样的组织结构，进而影响成形后试样的综合性能，如硬度、表面粗糙度、屈服强度和抗拉强度。李吉帅等[19]研究了不同扫描功率、扫描速度和扫描间距对TC4金属粉末成形质量的影响，结果表明，低扫描功率下成形样品表面的孔洞形貌不规则，大小不一，属于熔合不良所导致的孔洞，当功率到达一定时成形样品表面光滑，孔洞数量极少，形状规则且只有极少量未熔化的粉末颗粒，并且试样的硬度随功率的升高而增加。孙小峰等[13]采用三参数正交实验法研究了激光功率、扫描速度以及层厚对SLM成形TC4合金致密化行为及拉伸性能的影响，结果表明，致密度和孔隙率随激光功率的变化都十分明显，随着能量密度的变化，样品的屈服强度波动高于抗拉强度波动。Zhao等[20]研究了体积能量密度对增材制造TC4合金的组织和力学性能的影响，结果表明，屈服强度、极限拉伸强度和断裂伸长率均随激光功率和扫描速度的线性增加而增加，如图2所示，在较低激光功率的条件α′晶粒下粗化较为明显，在高激光功率的条件下细化的α′晶粒占比则会明显增加。

图2 在不同激光功率下增材制造TC4合金样品的SEM图像[20] （a） 180 W；（b） 210W；（c） 240WFig. 2 SEM images of additive manufactured TC4 samples with different laser power conditions[20] （a） 180 W；（b） 210W；（c） 240W

Fatoba[21]研究了激光增材制造中加工参数(激光输入功率、扫描速度和送粉速度)与试样力学性能(硬度、屈服强度和抗拉强度)之间的关系，得出了激光功率和扫描速度是影响增材制造钛合金力学性能的两个最重要的参数，并且存在一个工艺窗口得到的样品力学性能最佳，而送粉速度对平均硬度、屈服强度和抗拉强度的影响比较小。

2.2 扫描策略的影响

不同扫描策略会影响增材制造过程中熔池的散热速率，从而影响组织中晶粒的生长状况以及增材制造后合金的综合性能。Syed等[22]采用单道、平行多道和振荡沉积方法制备试样，测试了平行和垂直于沉积面扩展的裂纹，结果表明，由于较高的局部热输入，振荡沉积、单道和平行多道试样结构非常相似，都表现出明显的粗柱状β晶粒组织和粗相变组织。在三种构建方法中，振荡沉积的裂缝扩展速率最小。Syed等[23]还研究了两种不同的沉积策略(振荡和平行多道)对电弧熔丝增材制造的TC4合金在铸态条件下的拉伸和高周疲劳性能的影响，结果表明，与平行多道沉积相比，振荡沉积由于相变组织较粗，所以强度较低，但伸长率值两者大致相似，都要大于典型的铸造材料，两种构建策略都导致柱状初生β晶粒沿材料构建方向排列，这是因为较高的热输入和较慢的冷却速度导致柱状初生β晶粒更宽，从而导致α+β相变组织更粗，在多次循环下的两个方向上，振荡沉积建立试样和平行多道建立试样的疲劳强度相差不大。Zhang等[24]研究了沉积速率对增材制造TC4合金显微组织形貌和力学性能的影响，在所有沉积条件下，试样的显微组织形貌基本一致，这是因为在所有沉积条件下增材制造的温度范围已经处于钛合金相变的低温区域；当沉积速率增加时，合金的抗拉强度呈下降趋势，显微硬度呈分散性且明显的下降趋势[25]。

传统的扫描策略中的单向扫描和“之”字形扫描，在起始端和末端由于工作条件不稳定，扫描速度较低，能量输入较高，导致熔池形状容易发生剧烈改变，极易产生缺陷[26-27]。正交扫描能减少这种状况的出现，使各方向能量输入更加均衡，提高成形件的表面质量、致密度、强度和韧性。杨永强等[28-29]针对增材制造中产生的未熔合孔洞缺陷等情况，提出了一种新的层间错开正交扫描策略，在一层扫描沉积完成后，下一层对扫描线间搭接处进行扫描熔化，使搭接处重新熔化，加强不同搭接层之间的熔合；再采用正交扫描策略，使各方向能量输入均衡，减少未熔合缺陷的产生。Stephenson等[30]提出了新的扫描策略，线性扫描、随机扫描和dehoff点填充，其中dehoff点填充技术可得到多种与传统扫描技术不同的特征，包括精细的微观结构等。Strantza等[31]采用了岛式连续扫描策略，降低了增材制造成形后TC4钛合金内的残余应力，这是因为这种方式加速了成形后零件的散热速度。扫描间距同样对增材制造有重要影响，当扫描间距较小时，相邻熔化道间会形成较大搭接，进而影响了零件尺寸精度和加工时间；而当扫描间距过大时，相邻扫描道间会存在未熔化的粉末颗粒，使成形件孔隙率的增加[19]。

2.3 其他工艺参数的影响

（1）保护气氛的影响：增材制造过程中熔池处于非常高的温度下，而钛合金在高温下与氧、氮元素有很强的亲和力，因此在制造过程中需要特殊的保护气氛，不同的熔池保护气氛会对增材制造的样品微观结构和力学性能产生不一样的影响。Nourollahi等[32]研究了增材制造TC4钛合金在空气、充满惰性气体的密闭箱内和氩气三种不同的保护条件下成形后试样的综合情况，结果表明，在空气气氛中样品的不同部位观察到不常见的半球状显微结构，削弱了样品的抗拉强度、屈服强度和伸长率，氩气提供的特殊保护气氛使其球形孔隙率达到6.3%，晶格参数变化很小，形成了马氏体组织，强度较高，在密闭箱提供的最佳保护条件下，可获得孔隙率小于1%的典型网篮状微观结构。

Amano等[33]对氦气保护气氛进行了研究，氦气具有更高的导热系数和更低的气体密度，在氦气气流下熔池和基板有较大的冷却速率。此外，在相同的热输入条件下，氦流法制备的样品比氩流法制备的样品含有更细小的α马氏体，材料性能也有所提高，并且氦流法抑制烟气生成的能力也更强。目前工业上常用的保护气中都存在残留的氧，在高温条件下钛合金极易与氧气发生反应，即使氧气的含量极低也会形成氧化层，Emminghaus[34]研究了不同残留氧含量对TC4激光增材制造的影响，结果表明，残余氧含量越高，试样表面粗糙度越大，表面粗糙度往往与试样的疲劳强度密切相关，同时发现残余氧含量对试样的致密度影响不大。

（2）基板材料和厚度的影响：增材制造过程中基板承担着很大一部分的散热作用，材料的热耗散速率很大一部分都取决于基板的材料与厚度，因此热影响层带的形状和蚀刻程度都受到基板的影响，从而导致不同基板厚度条件下得到的样品微观结构也不同。不同基板厚度上成形的试样微观结构在距基板5 mm的地方微观结构出现了明显的变化。Kalashnikov等[35]研究了基板材料和厚度对试样的影响，结果表明：由于TC4合金的低导热性，较厚的基板导致沉积材料过热，而较薄的基板在增材制造过程中容易变形，导致成形样品与基板之间接触不良，从而导致散热也不好；使用Mo掺杂Ti合金基体，虽然违反了基板材料选择的原则，致使基板材料与增材制造的材料不同，会使增材制造的零件化学成分发生改变，但在中等散热率条件下保证了零件的高延展性。

（3）粉末粒度的影响：对于送粉型增材制造来说，粉末的多种特征如粒度分布(particle size distribution，PSD)、形状、微观结构都会对增材制造零件性能产生不同的影响，尤其是粉末的粒度，会改变粉末的堆积状态和流动性。Soltani-Tehrania等[36]研究了粉末粒度在激光粉末床熔融制造TC4合金中对疲劳性能的影响，发现与细粉相比，粗粉制备的试样孔隙率更高，但细粉的试样最大缺陷尺寸更高，这是因为细粉的流动性更强，在制造过程中飞溅十分严重，所以最大缺陷尺寸更高，延展性和抗疲劳性更低，但又因其较高的流动性显示出了优越的填充性能使得孔隙率降低。

3 热处理对增材制造TC4合金组织和性能的影响

对增材制造TC4合金来说，热处理方式分为在线热处理和后热处理，在线热处理是指在增材制造过程中每打印一层随即对该层进行热处理，这样可以改善试样内部晶粒生长过程，解决增材制造过程中内应力导致的变形开裂以及改善增材制造成形零件的性能。后热处理则是在增材制造成形之后再对零件进行热处理，在线热处理控制较为困难，所以后热处理使用较为广泛。

一般来说对TC4合金进行的热处理包括再结晶退火、去应力退火、固溶时效处理、正火、热等静压等。经过热处理之后TC4合金的组织通常表现为以下四种形态[37]：

（1）等轴组织：在两相区锻造或者退火处理可得到此类型，等轴组织成分以初生α颗粒为主，伴有一定量的β转变组织，在常态塑形以及疲劳上限方面表现最佳但是其强度和断裂韧性的表现不尽人意；

（2）魏氏组织：在β相区经锻造或加热后缓慢冷却所获得，其金相结构为初始β晶粒边界包围在粗大的初始β晶粒周边，且连续的α相排布在晶粒边界上，片形的α束域出现在β晶粒内，而在片状α束域之间的为β相。该组织具有较高的断裂韧性，且在快速冷却条件下，能够获得较高的蠕变抗力以及持久强度；

（3）双态组织：在两相区锻造或者退火处理可获得此类型，这种组织的特点是转变β基体上布有初生α颗粒，其体积分数低于50%且不连续；

（4）网篮组织：将TC4钛合金在(α+β)/α转变温度附近热处理可获得网篮组织。组织中α相小而短，不同相之间交错相交，编织成网篮状，使材料的蠕变强度增加。另外，由于不同短粗、扭曲的相纵横交错，提高了钛合金的断裂韧性。

Bermingham等[38]探究了常见的热处理方式对增材制造TC4合金组织性能的影响，发现去应力退火可以显著提高试样塑性，并且避免了组织晶粒的粗化；热等静压可以消除由热输入过大产生的微观缺陷，从而提高试样的性能和寿命；固溶时效处理可以提高试样的强度，但是会降低材料的致密度。国内外关于正火处理对增材制造TC4合金组织和性能的研究较少，因此正火处理对合金的性能影响规律尚不明确[39]。

3.1 退火对增材制造TC4合金组织和性能的影响

增材制造的零件一般都有着较大的残余应力，这对零件的性能会产生不利的影响，对增材制造后的零件进行退火处理的主要目的是使零件加工后的残余应力减小乃至消除，并稳定组织和性能。

Vrancken等[40]将增材制造后的TC4合金在850 ℃下退火2 h，随炉冷却，处理后合金的伸长率从7%提高到了13%。Gwak等[41]研究了后退火对直接能量沉积(directed energy deposition，DED)处理的TC4合金的显微组织演变和机械性能的影响，结果表明，退火处理虽然降低了试样的疲劳强度但使试样发生了应变硬化，提升了屈服强度。Chen等[42]研究了激光粉末床熔融(laser-powder bed fusion，L-PBF)TC4合金在不同退火温度(650～950 ℃)下的拉伸性能，结果表明，随着退火温度的升高，原来的针状马氏体α′相逐渐转变为层状α+β相，力学性能呈现强度下降、伸长率上升的趋势，800 ℃/2 h的退火热处理获得的试样强度/塑性匹配为最佳。

进一步研究显示，随退火温度提升和时间延长，TC4合金的抗拉强度和塑性都下降，但硬度会得到显著提升，这是因为TC4合金是一种经典的α+β型两相钛合金，而随着退火温度和时间的增加，增材制造TC4钛合金晶粒内α相的取向差增大，β相含量增加，组织中针状α相数量减少，α相发生粗化[43]，导致合金的性能发生变化。

3.2 正火对增材制造TC4合金组织和性能的影响

正火处理在金属材料的热加工中起到的作用是改善金属材料的韧性，正火处理的冷却速度高于退火低于淬火，可使材料的晶粒细化，明显改善材料的韧性，降低材料开裂的趋势，一些研究显示，材料经正火处理后材料从脆性断裂转变为韧性断裂。

正火处理的温度变化会显著改变试样的显微组织。徐国健等[44]研究了从最初沉积态到不同正火温度下的试样显微组织，850～900 ℃之间试样沉积层的综合性能最好，因为此时试样中的组织几乎完全转变为网篮组织，试样中已经形成了α+β相，此变化可以增加材料的蠕变强度和断裂韧性，随着正火温度的再次提高，网篮组织逐渐消失，力学性能又开始下降。姚定烨等[45]对正火处理后的试样进行应力应变实验，发现在700～900 ℃随正火温度的提高，试样的点阵结构被压密，从而使试样的应力应变曲线出现明显的上升，材料的吸收能量的能力得到显著提高，这是因为试样的点阵结构被压密导致试样受到的动能更多地转化为变形能，从而能吸收更多能量。

3.3 热等静压对增材制造TC4合金组织和性能的影响

热等静压(hot isostatic pressing，HIP)是一种以氮气、氩气等惰性气体为传压介质，在密闭容器中对工件施加各向同等的压力，并在高温高压下保持一定时间，以实现零件消除孔隙、均匀化成分、稳定性能的一种后处理工艺。

Molaei等[46]研究了HIP工艺对增材制造TC4钛合金寿命的影响，发现经过HIP处理后的试样可有效减少试样显微结构下内部缺陷的数量，提高寿命，但是与此同时会降低材料的塑性。断口明显能看到微裂纹和解理面的存在，导致样品的伸长率降低，是明显的脆性断裂[47]。

通过进一步研究可以发现，增材制造TC4合金微观结构主要为针状初生α相，经HIP处理后，针状初生α相被截断，降低了针状初生α相的长宽比，α相的厚度产生了明显增加，因此可以有效减少试样显微结构下内部缺陷的数量，提高寿命，但因此致密度提高，从而使材料塑性变差，脆性增加，抗拉强度和屈服强度降低[45]。Lee等[48]研究了HIP对激光选区熔化成形TC4合金的反作用，结果表明，热等静压后初生α相被截断，试样显微组织由马氏体转变为魏氏组织，在热等静压处理后这些显微组织的变化在试样表面上变化的尤为突出，会对试样的表面粗糙度产生较大的影响。

由于其制造原理，增材制造零件各向异性的存在是不可避免的，在热处理方法中HIP是最有可能降低增材制造TC4合金的各向异性性能的，但成本往往也是最高的[49]。Gangireddy等[50]对激光粉末床熔融增材制造TC4合金在β相转变温度下进行了热等静压处理，处理后发现马氏体转变为双峰α/β微观结构，同时也改变了原有的β相结构，消除了各向异性。

3.4 固溶时效处理对增材制造TC4合金组织和性能的影响

增材制造TC4合金的微观结构几乎全由针状初生α相组成，而后针状初生α相被分解为α+β相，经过固溶时效处理之后就可形成具有网篮组织的α+β相，并且在固溶时效处理后试样内部进一步析出了几百纳米大小的颗粒团簇，因此抗压强度和屈服强度都明显提高。

经过固溶时效处理后，试样大部分由板状形态的初生α相组成。此外，由于热处理后晶粒粗化，α相的平均宽度增加，纵横比与未进行热处理的相比显著降低，α+β相经过长时间的固溶处理后形成了具有网篮组织的结构[51]。

固溶时效处理还可以大大提升合金的伸长率，降低合金的形貌差异。Ren等[52]将TC4合金在920 ℃固溶2 h后，在550 ℃时效4 h，伸长率提升到了18%。Zhao等[53]首先将TC4合金在亚临界温度区（980 ℃）退火1 h，为了保证合金的强度，随后在920 ℃固溶2 h后，在550 ℃时效4 h，最终使得合金的伸长率提高到25%。薛松海等[47]还发现，通过固溶时效处理后可使结合区内的魏氏组织转变为网篮组织，从而提高合金的伸长率，通过进一步实验还发现热等静压+固溶时效同时使用，固溶时效态试样的强度和伸长率均达到最大值，其中屈服强度达798 MPa，抗拉强度达915 MPa，伸长率达11%。

不同热处理方式对试样性能的影响以及优缺点如表1所示。

表1 不同热处理方式对增材制造TC4性能的影响Table 1 Influence of different heat treatment methods on properties of additive manufactured TC4

3.5 新型后热处理技术对增材制造TC4合金组织和性能的影响

除传统的退火、固溶时效处理、正火、热等静压等热处理方式之外，许多新型后热处理技术被设计开发了出来。Li等[54]采用高磁场和退火耦合来对增材制造的TC4合金进行热处理，该方案在自行设计的炉中将试样分别在不同强度的磁场下保温30 min，磁场和热场的耦合作用不仅促进了α′→α+β的相变，而且改变了α′/α相的宽度，经热处理后，α′/α相形态逐渐细化，直到磁通量达到8 T，晶粒发生细化强化从而提高了试样的塑性，同时，具有粗大α′/α马氏体的均匀α+β相保持了中等强度和良好的塑性，力学性能可与锻件相媲美。

Zou等[55]在增材制造TC4合金后使用快速热处理的方法，得到了细化的等轴β晶粒，加强了试样的强度和延展性。Gou等[56]采用冷金属转移的方法制得的试样显微组织为针状α′马氏体和少量片层状α+β，具有合理的硬度和抗拉强度，经过900℃/4 h随炉冷却和1200 ℃/2 h随炉冷却热处理后，所有α′马氏体均转变为α+β相，采用两种热处理方法均可获得较高的硬度和较好的塑性，但是热处理后试样的抗拉强度明显低于未处理的试样。Wang等[57]利用低温真空热处理增材制造TC4合金试样，结果表明，低温真空热处理可以降低金属的受热变形的可能性，特别是具有复杂结构的零件，同时在此热处理过程中，试样中析出了较多的β相，作为第二强化相，如图3所示，此外，大量的孪生晶粒可以提高可塑性和强度，然而，随着温度的继续升高，β析出相变得更粗，相应的试样的强度降低，进一步实验表明随着真空度的提升，试样表面的氧化层厚度越来越小，表面形貌更好，试样的疲劳强度也会进一步提高。

图3 增材制造TC4合金低温真空热处理后的晶界分布[57] （a） 未热处理样品； （b） 低温真空热处理后的样品Fig. 3 Grain boundary distribution of additive manufactured TC4 after low temperature vacuum heat treatment[57] （a） untreated sample; （b） sample after treatment

Sui等和Souza等[58-59]对增材制造TC4在相变温度附近进行循环热处理(cyclic heat treatment，CHT)，结果表明，循环热处理可以促进球状α相的产生，并且可以使α相产生粗化，显著提升了合金的伸长率和屈服强度，拉伸实验断口形貌表明，样品表现出脆性和韧性混合断裂行为，而CHT处理后样品显示出明显的韧性断裂特征。

不管是传统的热处理方式还是新型热处理方式都改善了目前增材制造钛合金的综合性能[60-61]，不同热处理方式得到的试样性能也不同，有的韧性较好，有的硬度和抗拉强度较高，单一热处理方式对于合金性能提升大部分都只是单方面的，可将多种用热处理方式综合使用，或者是将其他后处理方式与热处理综合使用，以此来综合提升TC4合金各方面的性能。

4 结束语

随着增材制造技术在航空航天、生物医疗等领域的不断革新应用，增材制造成形件的质量控制也越来越得到人们重视，如何增强增材制造TC4钛合金的品质与性能已成为增材制造技术目前研究的热点方向，TC4钛合金增材制造行业稳步发展的同时也存在着一些亟须关注和解决的问题。

(1) 工艺参数的不同会使得到的零件的综合性能不同，对于工艺参数的选择与成形件的微观结构与力学性能影响规律研究仍不完善。能量输入功率过大或过小都会使成型件内部缺陷增加，从而导致增材制造的钛合金致密度、硬度、屈服强度、疲劳强度下降，对钛合金产生不利影响。目前对于能量输入功率与熔池内部缺陷形成机理的深入性研究仍然缺乏；扫描策略的变化影响着熔池的局部能量输入，从而影响着试样的孔隙率、致密度和强度，但是目前常用的扫描策略仍然存在着局部热输入较大的问题，急需改善；增材制造过程保护气、基板、粉末粒度的选择同样都会对成型件的缺陷产生影响，目前在这些方面仍然缺乏相关规律性的研究。

(2) 增材制造TC4合金制造过程中热输入较大，导致成形的合金残余应力大，容易萌生裂纹，并且微观结构缺陷较大，在线热处理控制较为困难，因此难题主要在于系统建立不同后处理方式与微观结构和力学性能之间的关系。退火处理可以使材料产生应变硬化，但是会使材料晶粒粗化，降低塑韧性；正火处理在一定程度上可以细化材料的晶粒，明显改善材料的韧性，增加材料的蠕变强度和断裂韧性；热等静压处理可有效减少试样显微结构内部缺陷的数量，提高致密度，并且是改善材料内部各向异性较为有效的方法，但是与此同时会降低材料的塑性，成本也较高；固溶时效处理可使材料组织中的相结构析出，但一般需要与热等静压配合使用才能得到较好的效果。后热处理对于材料组织性能影响规律与机理研究较为匮乏，并且传统后处理方法只能对于材料单一性能进行改善，在多种后处理方式综合使用以及新型热处理方面仍需要进行研究。

综上所述，完善增材制造过程加工参数选择、研发并改进增材制造后热处理工艺，最好建立一个后处理工艺和参数统一选择标准，将会对整体增材制造领域的发展起到强力的推动作用。