鈦合金具有低密度、比強(qiáng)度大、耐高溫和耐腐蝕等特點(diǎn)，因此在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在航空航天領(lǐng)域，TC4 鈦合金應(yīng)用量占整個(gè)鈦合金應(yīng)用量的 50%以上 [1] 。然而，切削、鍛造、鑄造等傳統(tǒng)加工方法不僅工藝繁雜，難以成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)，且材料的重復(fù)利用率低，加工成本高。與傳統(tǒng)加工方法相比，增材制造（additive manufacturing，AM）在鈦合金加工方面具有研制周期短、無(wú)需模具與大型設(shè)備、可一體化成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)。

目前對(duì)于 LPBF 成形的 TC4 合金的研究主要集中在組織、缺陷以及靜態(tài)的拉伸性能上。但隨著增材制造 TC4 的應(yīng)用面不斷拓展，疲勞性能和斷裂韌性等動(dòng)態(tài)力學(xué)性能開(kāi)始得到人們的關(guān)注。尤其是在航空航天領(lǐng)域，隨著飛行器性能的提高與結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，早年間以靜強(qiáng)度和剛度為標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已無(wú)法滿足強(qiáng)度要求，目前的 TC4 結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)注重于使用中的疲勞壽命與斷裂韌性這類動(dòng)態(tài)力學(xué)指標(biāo)。

考慮到 TC4 常用作航空航天領(lǐng)域中的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，對(duì)于打印的精度有較高的要求。在常見(jiàn)的金屬增材制造技術(shù)中，激光粉末床熔融（laser powder bed fusion，LPBF）技術(shù)由于有優(yōu)良的成形精度、構(gòu)件表面質(zhì)量以及較為簡(jiǎn)單的打印環(huán)境，成為了增材制造 TC4 的不二之選。本文從 LPBF 成形 TC4 的特征出發(fā)，總結(jié)了其對(duì)拉伸性能的影響，并以此為基礎(chǔ)重點(diǎn)綜述了國(guó)內(nèi)外在疲勞和斷裂韌性方面的研究進(jìn)展，提出了未來(lái)可能的研究方向。

1 、激光粉末床熔融 TC4 合金組織與缺陷

1.1 沉積態(tài)組織特征

LPBF 過(guò)程中的高冷卻速率以及分層制造過(guò)程的重熔導(dǎo)致沉積態(tài) TC4 試樣在橫截面（XOY 面）和縱截面（XOZ 面）上具有不同的組織特征。XOY面的組織主要為初生 β 相和其內(nèi)部的針狀與板條狀馬氏體 α′。LPBF 過(guò)程中產(chǎn)生的熔池冷卻速率極快，可達(dá) 10 4 K/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了發(fā)生馬氏體相變所需的410 K/s，所以 β 相中析出了馬氏體 α′相。XOY 面的組織形貌受工藝參數(shù)和掃描策略的影響較大。孫靖等 [2] 的研究結(jié)果表明，保持激光功率不變時(shí) β 相及內(nèi)部的馬氏體 α′相會(huì)隨著掃描速度的下降而逐漸粗化。谷雪忠 [3] 對(duì)比了不同熔覆層間掃描角度為90°和 67°的情況。掃描角度為 90°時(shí) β 晶粒間以相互垂直的棋盤網(wǎng)格分布，而掃描角度為 67°時(shí)網(wǎng)格則近似六邊形，這種差異是不同熔覆層之間熔道交叉形狀的差異導(dǎo)致的。

同時(shí)，LPBF 成形過(guò)程中不同高度的熱輸入和熱循環(huán)狀況也存在較大的差異，導(dǎo)致不同熔覆層之間 XOY 面的組織形貌也不盡相同。Xu 等 [4] 研究發(fā)現(xiàn)靠近基板的部位因?yàn)榉e累的熱量更多，馬氏體 α′相會(huì)分解產(chǎn)為 α+β 相，組織為板條狀 α+β 且較為粗大，而靠近頂端的部分熱量累積少，組織為 β 相和針狀馬氏體 α′。對(duì)于熱循環(huán)次數(shù)，馬堯 [5] 的研究結(jié)果表明，試樣底部由于經(jīng)歷的熱循環(huán)次數(shù)最多可生成四次馬氏體 α′相，不同批次的馬氏體分別與上一級(jí)的馬氏體垂直析出而一次馬氏體相與 β 相垂直析出。越接近頂部經(jīng)歷的熱循環(huán)次數(shù)越少，馬氏體的種類與體積也隨之減少。

XOZ 面的組織為穿過(guò)多個(gè)粉層的 β 相柱狀晶，其內(nèi)部分布有針狀馬氏體 α′。這是激光打印過(guò)程中對(duì)上一層的粉層的重熔導(dǎo)致的，先前存在的柱狀晶會(huì)沿熔池邊界外延生長(zhǎng)，最終形成沿沉積方向的粗大柱狀晶。柱狀晶內(nèi)部的針狀馬氏體 α′常與柱狀晶呈特定角度生長(zhǎng)且針狀馬氏體之間相互平行或垂直，這種位相關(guān)系由馬氏體的成核難度和最大熱通量的方向共同決定。XOZ 面的組織形貌主要受工藝參數(shù)影響，谷雪忠 [3] 研究了 52 J/mm ³ 和 23.8 J/mm ³兩種能量密度下 LPBF 成形 TC4 XOZ 面的組織形貌，發(fā)現(xiàn)當(dāng)能量密度足夠使上一層粉層達(dá)到 β 相變溫度時(shí)，β 柱狀晶可以跨粉層連續(xù)生長(zhǎng)，反之則難以形成粗大且連續(xù)的柱狀晶。

1.2 缺陷

LPBF 過(guò)程中常會(huì)出現(xiàn)球形的氣孔、不規(guī)則的未熔合區(qū)域以及裂紋，這三種常見(jiàn)的缺陷形貌如圖1（c）~（e）所示。Hojjatzadeh 等 [6] 驗(yàn)證了 LPBF過(guò)程中氣孔形成的六種機(jī)制，包括原始粉末中就存在的氣孔無(wú)法逃逸、易揮發(fā)元素形成的蒸汽無(wú)法逃逸、金屬蒸汽的對(duì)熔池的反沖壓力使熔池振蕩形成了氣孔、金屬液滴飛濺下落到熔池時(shí)產(chǎn)生了氣孔、已存在裂紋的基體重熔時(shí)由裂紋釋放出氣孔、匙孔底部的氣體由于激光能量過(guò)大無(wú)法逃逸。此外 Zhou等 [7] 發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng) LPBF 過(guò)程中作為保護(hù)氣氛的惰性氣體也會(huì)進(jìn)入基體形成氣孔，將打印的環(huán)境由惰性氣體變?yōu)檎婵湛山档?LPBF 成形 TC4 的孔隙率。未熔合區(qū)域常存在較多未熔化的顆粒，同時(shí)容易形成鋒利的邊緣，其成因主要為激光的能量密度不足，無(wú)法形成連續(xù)的熔體。裂紋指成型件內(nèi)部的小裂紋，張升等 [8] 認(rèn)為是高溫度梯度產(chǎn)生的殘余應(yīng)力導(dǎo)致了裂紋的產(chǎn)生，這也是目前較為普遍的觀點(diǎn)。

在此基礎(chǔ)上 Zhu 等 [9] 認(rèn)為夾雜、熔合不良、氣孔等部位容易造成應(yīng)力集中從而形成裂紋源。蔡偉軍等[10] 發(fā)現(xiàn) P 與 Si 等元素會(huì)產(chǎn)生晶間的液態(tài)薄膜成為熱裂紋的誘因。

研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)，上述三種缺陷均可得到一定的改善。趙春玲等 [11] 發(fā)現(xiàn)隨著激光能量密度增加，缺陷逐漸由不規(guī)則形轉(zhuǎn)向球形，缺陷的尺寸先減小后增加，這證明 LPBF 成形 TC4 的能量密度存在一個(gè)最佳工藝窗口。Zhou 等 [7] 的研究結(jié)果表明在真空（1 Pa）條件下的工藝窗口為 800-1333J/mm ³ 。對(duì)于傳統(tǒng)的 LPBF 成形 TC4，段偉 [12] 發(fā)現(xiàn)能量密度在 19.49-58.48 J/mm ³ 范圍內(nèi)時(shí)，試樣的致密度可達(dá) 99%以上，且在 29.24 J/ mm ³ 附近致密度大于 99.9%。除調(diào)整打印參數(shù)外，熱等靜壓（hot isostatic pressing，HIP）也是改善 LPBF 成形件缺陷狀況的常用手段。HIP 通過(guò)高溫高壓可以使工件中大部分的孔隙和裂紋閉合，呂周晉等 [13] 對(duì)致密度99.4%LPBF 成形 TC4 試樣進(jìn)行 HIP 處理后，致密度超過(guò) 99.8%，材料密度達(dá)到 4.415 g/cm ³ 以上，已經(jīng)接近 TC4 的理論密度。HIP 雖然能消除絕大部分缺陷，但其造成的組織粗化會(huì)減弱 TC4 的抗疲勞性能 [14]。

1.3 殘余應(yīng)力

LPBF 成形的加熱和冷卻過(guò)程都極快，成形過(guò)程中不同部位之間會(huì)形成較大的溫度梯度，當(dāng)不同部位的膨脹和收縮不一致時(shí)便會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力會(huì)使零件容易開(kāi)裂甚至斷裂 [15] ，因此需要設(shè)法減小乃至消除 LPBF 過(guò)程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。

減小溫度梯度最簡(jiǎn)單的解決方法是對(duì)基板進(jìn)行預(yù)熱。Roberts [16] 通過(guò)有限元模擬發(fā)現(xiàn)，將預(yù)熱溫度從40℃提高到300℃可以使TC4上表面的殘余拉應(yīng)力從 737.8 MPa 降低至 355.9 MPa，減少了 50%以上。而 Ali 等 [17] 將預(yù)熱溫提高到 770℃時(shí)發(fā)現(xiàn) TC4零件上表面的殘余應(yīng)力基本消失。熱處理也是減少殘余應(yīng)力的常見(jiàn)手段，其可以將亞穩(wěn)組織轉(zhuǎn)變?yōu)槠胶饨M織，消除晶粒間的位錯(cuò)聚集，從而減小了殘余應(yīng)力。Leuders 等 [18] 通過(guò) 800 ℃兩小時(shí)的退火處理將 LPBF 成形 TC4 表面沿沉積方向和掃描方向的殘余應(yīng)力分別由 230 MPa 和 120 MPa 降低到了 10MPa和5 MPa。張霜銀等 [19] 通過(guò)去應(yīng)力退火將LPBF成形 TC4 Y 方向和 Z 方向的平均殘余應(yīng)力分別由-114.88 MPa和-82.34 MPa降低至-49.01 MPa和0.52MPa，降幅達(dá) 59.8%與 72.3%。此外 LPBF 的工藝參數(shù) 也 會(huì) 對(duì) 殘 余 應(yīng) 力 造 成 影 響 。 Levkulich [20] 與Vrancken [21] 發(fā)現(xiàn)隨著激光功率的增加，LPBF 成形的 TC4 試樣的殘余應(yīng)力會(huì)降低，其認(rèn)為是冷卻速率隨著激光功率增加而降低導(dǎo)致的。但激光能量過(guò)高則會(huì)增加與相鄰層的溫度梯度，反而會(huì)產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力 [22] 。此外梁曉康等 [23] 發(fā)現(xiàn) TC4 試樣在沉積方向上有較大的殘余拉應(yīng)力，Anderson 等 [24] 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明在 x 方向和 z 方向上應(yīng)力值近似拋物線分布，若改變每層的掃描路徑則可使層與層之間的應(yīng)力狀態(tài)相等。孫新發(fā) [25] 對(duì)旋轉(zhuǎn)角為 0°，67°和 90°的掃描策略進(jìn)行了數(shù)值仿真，其中旋轉(zhuǎn)角為67°時(shí)應(yīng)力的各向異性最低。

2 激光粉末床熔融 TC4 合金拉伸性能與傳統(tǒng)工藝制備的 TC4 合金相比，LPBF 成形的 TC4 合金具有高強(qiáng)度低塑性的特點(diǎn)。LPBF 過(guò)程中遠(yuǎn)超傳統(tǒng)工藝的冷卻速率形成了大量的針狀馬氏體 α′，與傳統(tǒng) TC4 合金中的 α+β 相相比有著更高的硬度與強(qiáng)度但塑性很低 [26] 。

沉積態(tài)的 TC4 合金拉伸性能主要受打印參數(shù)的影響。吳慧敏等 [27] 和雷蕾 [28] 都對(duì)激光功率和掃描速度對(duì)拉伸性能的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明LPBF 成形 TC4 合金的拉伸性能由內(nèi)部缺陷決定，致密度最高、缺陷最少的試樣不論是抗拉強(qiáng)度還是斷后延伸率都要高于其他試樣。LPBF 成形 TC4 合金 XOY 面與 XOZ 面的組織形貌存在明顯差異，導(dǎo)致其拉伸性能也表現(xiàn)出明顯的各向異性。焦?jié)奢x等[29] 測(cè)量了水平和垂直方向的拉伸性能，其中水平拉伸試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都要高于垂直拉伸試樣而斷后延伸率差別不大。這是因?yàn)樗椒较?β 晶界的數(shù)量要多于垂直方向，對(duì)位錯(cuò)滑移的阻礙更大[30] ，且水平拉力的方向垂直于 β 柱狀晶而垂直拉伸力的方向與柱狀晶平行；另一方面垂直方向?yàn)樵嚇拥某练e方向，層間的結(jié)合強(qiáng)度會(huì)小于層內(nèi)的結(jié)合強(qiáng)度，也導(dǎo)致了垂直拉伸性能不如水平拉伸性能。各向異性可以通過(guò)后續(xù)的熱處理消除，竇振等 [31] 通過(guò)固溶時(shí)效處理使拉伸性能的各向異性水平≤1.2%。

沉積態(tài) TC4 塑性的提升主要依靠后續(xù)的熱處理。目前主流的研究方向?yàn)橥嘶鹛幚砗凸倘軙r(shí)效處理。退火處理時(shí)，隨著退火溫度的升高，馬氏體 α′會(huì)逐漸分解為 α 相和 β 相，當(dāng)溫度越接近 β 轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，β 相含量越多 [32] 。由于 Al 和 O 等強(qiáng)化元素會(huì)在 α 相中富集 [33] ，β 相的強(qiáng)度會(huì)低于 α 相；同時(shí)β 相為 BCC 結(jié)構(gòu)而 α 相為 HCP 結(jié)構(gòu)，β 相的滑移系多于 α 相，變形協(xié)調(diào)能力更強(qiáng)。因此退火溫度越高試樣的強(qiáng)度越低塑性越強(qiáng)。但崔麗等 [32] 發(fā)現(xiàn)隨溫度上升，斷后延伸率先增加后下降，其原因可能為高溫時(shí) α 相粗化嚴(yán)重且容易形成集束，降低了塑性變形的抗力。通常來(lái)說(shuō)退火溫度在 800 ℃左右時(shí)有較好的強(qiáng)度塑性比。固溶時(shí)效處理通常會(huì)在固溶過(guò)后進(jìn)行水冷來(lái)獲得獲得馬氏體 α′，在時(shí)效過(guò)程中馬氏體 α′會(huì)分解成 β 相和彌散 α 相。由于組織大體上保留了原本的 α+β 相的形貌，具有較好的延伸率。同時(shí)細(xì)小的彌散 α 相不僅能阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，還能減少位錯(cuò)滑移的啟動(dòng)，從而提高了強(qiáng)度 [34] 。高星等 [35]指出固溶時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，否則會(huì)使 α 片層過(guò)度粗化從而降低塑性。孫兵兵等 [34] 通過(guò) 940 ℃和 900 ℃兩次固溶水冷處理來(lái)控制 α 片層的尺寸，再經(jīng)過(guò)600℃的時(shí)效處理后試樣的抗拉強(qiáng)度為 1158 MPa，伸長(zhǎng)率為 11.3%，均大于 940 ℃爐冷試樣的 1061.5MPa 和 10.8%。通過(guò)固溶和時(shí)效過(guò)程分別調(diào)節(jié)片層α 相和彌散 α 相的大小可以使 TC4 合金獲得良好的強(qiáng)度塑性比。但其認(rèn)為粗的 α 片層有利于協(xié)調(diào)變形和位錯(cuò)增殖從而提高試樣的塑性，這與前文崔麗和高星等人的觀點(diǎn)有所出入，因此具體的強(qiáng)度塑性調(diào)節(jié)機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。

通過(guò)系統(tǒng)分析現(xiàn)階段激光粉末床熔融成形 TC4合金的研究，可以明顯看出，TC4 的拉伸性能與延伸率總體上呈現(xiàn)反比趨勢(shì)，如下圖 1（a）所示。圖1（b）為不同工藝下 TC4 抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率的上下限，從圖中可以看出沉積態(tài)的 TC4 強(qiáng)度高塑性低，所有的沉積態(tài)強(qiáng)度都達(dá)到了 1000 MPa 以上，但其延伸率的上下限均為最低；單獨(dú)的固溶處理效果與退火處理類似，但與退火相比會(huì)造成更明顯的強(qiáng)度下降；在固溶的基礎(chǔ)上增加時(shí)效處理則可以增強(qiáng)其強(qiáng)度，在圖 1（a）中表現(xiàn)為伸長(zhǎng)率相近時(shí)，固溶+時(shí)效處理的試樣強(qiáng)度大多都高于單獨(dú)的固溶處理試樣；從圖 1（b）中可以看出，循環(huán)熱處理由于加熱時(shí)間充分，大多都擁有較高的延伸率，其強(qiáng)度范圍與退火及固溶+時(shí)效處理相近，但反復(fù)的升溫和降溫過(guò)程不僅增加了熱處理所需的時(shí)間，而且會(huì)使流程十分繁瑣，因此應(yīng)用并不廣泛。從工藝的復(fù)雜度和強(qiáng)塑性的結(jié)合度來(lái)考慮，退火和固溶+時(shí)效兩種熱處理方式為目前 LPBF TC4 合金的首選。

3、 激光粉末床熔融 TC4 合金疲勞性能

疲勞性能最常用的表征為疲勞極限 σ f （即試樣在 1×10⁷次循環(huán)周次后仍不會(huì)發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力），對(duì)于不同增材制造方式下制件的疲勞強(qiáng)度如表1 所示。疲勞性能作為動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，與靜態(tài)的拉伸性能存在一定區(qū)別。首先，缺陷的形貌對(duì)于疲勞性能的影響要更顯著。武亮亮等 [47] 發(fā)現(xiàn) 800 ℃退火后垂直試樣和水平試樣的疲勞極限存在較大的各向異性，其分別為 543MPa 和 439MPa。通過(guò)采用Murakami 的等效面積法 [48] 對(duì)缺陷進(jìn)行處理后，其發(fā)現(xiàn)水平方向的缺陷尺寸要大于垂直方向，產(chǎn)生了疲勞性能的各向異性。對(duì)水平和垂直試樣進(jìn)行 HIP處理后由于缺陷的減少，各向異性的現(xiàn)象得到了改善，垂直試樣和水平試樣的疲勞極限分別為 498MPa 和 447 MPa。

此外，試樣的疲勞性能還受表面狀況的影響。董登科等 [49] 比較了沉積表明和機(jī)加工表面狀態(tài)下TC4 的疲勞斷口，結(jié)果表明粗糙的沉積表面由于存在微缺陷會(huì)產(chǎn)生較高的應(yīng)力集中，疲勞源萌生于試樣表面；機(jī)加工試樣表面不僅更光滑，其引入了殘余壓應(yīng)力會(huì)使裂紋從內(nèi)部萌生，進(jìn)一步疲勞性能。易 敏 等[50] 則 采 用 激 光 沖 擊 強(qiáng) 化 （ laser shock peening，LSP）來(lái)進(jìn)行表面改性。LSP 在大幅降低表面孔隙的同時(shí)還能形成納米晶、形變孿晶、等軸晶等組織來(lái)改善表面組織性能，并且和機(jī)加工一樣能引入殘余壓應(yīng)力，共同提高疲勞性能。

沉積態(tài)的 TC4 具有硬而脆的特點(diǎn)，其疲勞強(qiáng)度也小于傳統(tǒng) TC4 合金，仍需要通過(guò)熱處理來(lái)改善性能。Yu 等 [51] 測(cè)量了沉積態(tài)、高溫退火和 HIP 三種條件下 LPBF 成形 TC4 的疲勞強(qiáng)度，其中沉積態(tài)的疲勞極限低于 300 MPa，而 HIP 處理的試樣疲勞極限達(dá)到了 450~500 MPa，與鍛造退火后的 TC4 相當(dāng)。

其原理為 HIP 粗化了板條 α 的同時(shí)降低了試樣的孔隙率，增長(zhǎng)了裂紋的擴(kuò)展路徑而且減少了裂紋源。劉劍汶 [45] 進(jìn)一步提高了熱處理的溫度，其發(fā)現(xiàn)950 ℃試樣斷面的疲勞輝紋之間的寬度為（0.53±0.21） μm 小于 850 ℃試樣的（1.07±0.21） μm。850 ℃試樣中存在的連續(xù)的晶界 α 相在循環(huán)加載過(guò)程中造成了應(yīng)力集中，而在 950 ℃時(shí)晶界 α 相變得破碎的同時(shí)板條 α 相也會(huì)發(fā)生粗化，兩者共同阻礙了裂紋的擴(kuò)展，從而改善了疲勞性能。Qu 等 [14] 利用相變與晶界生長(zhǎng)不同步的特點(diǎn)發(fā)明了純凈增材制造 工 藝 （ net-additive manufacturing process ，NAMP），使激光打印 TC4 試樣在消除絕大部分孔隙的同時(shí)保留了近似沉積態(tài)的組織，其極為細(xì)小的α 相不僅不會(huì)成為裂紋源而且還可以有效抑制滑移帶與晶粒作用造成的疲勞損害，與沉積態(tài)相比疲勞強(qiáng)度提升了 106%，達(dá)到了 978 MPa，且抗拉強(qiáng)度與沉積態(tài)相近，約為 1230 MPa。目前主流的 TC4 增材制造工藝為 LPBF 與 EBM（Electron Beam Melting，電子束熔化），其疲勞性能如圖 2（a），（b）所示，可以看出 LPBF 成形的 TC4 抗拉強(qiáng)度總體上要大于 EBM，其成因可能為 EBM 的冷卻速率低于LPBF，高溫下的 β 會(huì)向（α+β）組織轉(zhuǎn)變而非成馬氏體 α′，因而抗拉強(qiáng)度更低 [52] 。在不同后處理工藝下二者的疲勞強(qiáng)度相近但均未超過(guò) 800 MPa，可能是因?yàn)槲唇?jīng) HIP 處理的 LPBF 和 EBM 試樣的疲勞性能主要受增材制造過(guò)程中形成的孔隙決定，而經(jīng)過(guò) HIP 處理后二者的組織均為（α+β）組織 [53,54] ，因而總體上疲勞強(qiáng)度差距不大。

目前傳統(tǒng)的熱處理方式對(duì)于 LPBF TC4 的疲勞強(qiáng)度提升較為有限，在此基礎(chǔ)上還會(huì)降低其原本的抗拉強(qiáng)度；而進(jìn)行了 NAMP 處理后的 TC4 不僅保留了與沉積態(tài)相近的抗拉強(qiáng)度，而且還具有極高的疲勞強(qiáng)度，是一種實(shí)用性較強(qiáng)的新型熱處理手段。除此之外，諸如 LSP 等表面加工手段對(duì)于疲勞強(qiáng)度的提升也較為明顯，為熱處理之外的優(yōu)秀后處理方式。

4、 激光粉末床熔融 TC4 合金斷裂韌性

由于馬氏體 α′的脆性與不穩(wěn)定性以及對(duì)裂紋擴(kuò)展的抵抗性弱，LPBF 成形 TC4 合金的斷裂韌性也低于傳統(tǒng)的鍛造和鑄造 TC4 合金 [77] ，常見(jiàn)的增材制造TC4合金斷裂韌性如表 2所示。與拉伸性能類似，沉積態(tài) TC4 合金的斷裂韌性也表現(xiàn)出了各向異性。

Cain 等 [78] 對(duì)沉積態(tài) TC4 合金不同方向上的斷裂韌性進(jìn)行了研究，如圖 3 所示，斷裂韌性的大小為 XY＞XZ＞ZX（K IC 分別為（28±2） MPa·m 1/2 ，（23±1） MPa·m 1/2 和（16±1） MPa·m 1/2 ），這是 β 柱狀晶和殘余應(yīng)力共同作用的結(jié)果。若只考慮組織形貌 XZ 試樣中裂紋擴(kuò)展方向平行于 β 柱狀晶，其斷裂韌性應(yīng)小于裂紋擴(kuò)展方向垂直于 β 柱狀晶的 ZX試樣，但 Vrancken 等 [79] 發(fā)現(xiàn) ZX 試樣斷面的周圍存在較高的殘余拉應(yīng)力，這使得 ZX 試樣在靠近自由表面的部分（即靠近 XOZ 面）會(huì)更容易產(chǎn)生裂紋且裂紋擴(kuò)展速度更快，從而導(dǎo)致斷裂韌性的降低；而XY 試樣斷裂韌性高于 XZ 試樣則是因?yàn)?β 柱狀晶在前者方向上的裂紋擴(kuò)展抗性更強(qiáng)。

熱處理是消除 LPBF TC4 合金各向異性和改善斷裂韌性性能的有效手段，現(xiàn)階段研究者主要針對(duì)退火和固溶兩類工藝進(jìn)行了一定的探索研究。Leuders 等 [18] 對(duì)沉積態(tài) TC4 試樣進(jìn)行了 800 ℃/2 h的退火處理后 x 軸和 y 軸方向的平均殘余應(yīng)力分別由 105 MPa 和 225 MPa 下降到 0 MPa 和 2.5 MPa，但當(dāng)溫度繼續(xù)提高時(shí)不會(huì)使殘余應(yīng)力更進(jìn)一步地降低。Cain 等 [78] 在進(jìn)行了 650 ℃的去應(yīng)力退火后發(fā)現(xiàn) β 柱狀晶的結(jié)構(gòu)仍然存在，但熱處理改變了晶粒之間接觸面的平面性，從而減小了各向異性。李玉海 等[77]在 500 ℃ 的 去 應(yīng) 力 退 火 后 進(jìn) 行 了700~950 ℃一系列的退火與固溶處理，研究結(jié)果表明隨著第二步熱處理溫度的升高板條 α 相會(huì)發(fā)生粗化，裂紋擴(kuò)展路徑因而變得更曲折，斷裂韌性上升；當(dāng)溫度達(dá)到 900 ℃和 950 ℃時(shí)粗化的板條 α 相會(huì)形成集束使裂紋擴(kuò)展路徑長(zhǎng)度增加，同時(shí) β 相比例上升導(dǎo)致 α/β 相界數(shù)目增加，裂紋易在結(jié)合力較弱的相界處生成二次裂紋，進(jìn)一步增大了裂紋擴(kuò)展的能量損耗，從而再次提高了斷裂韌性。左柏強(qiáng) [81]以及 Kumar [82] 等人分別對(duì) LPBF TC4 進(jìn)行了兩相區(qū)退火與固溶時(shí)效處理，其斷裂韌性分別為 108MPa·m ^1/2 與 106 MPa·m ^1/2 。Zhang 等 [54] 通過(guò) 940 ℃/125 MPa/1.5 h 的熱等靜壓處理在粗化組織的同時(shí)減小了 TC4 內(nèi)部缺陷的含量，處理后試樣的 K C 從沉積態(tài)的（48.43±11.24） MPa·m ^1/2 提升至（137.26±6.54） MPa·m ^1/2 ，達(dá)到了沉積態(tài)的近三倍。目前 TC4 斷裂韌性的研究多集中于傳統(tǒng)工藝，熱軋的TC4經(jīng)過(guò)兩相區(qū)固溶時(shí)效處理以及 β固溶時(shí)效處理后斷裂韌性分別為 61.45 MPa·m ^1/2 與 95.13MPa·m 1/2[85] ，而鍛造成形的 TC4 進(jìn)行上述兩種熱處理后其斷裂韌性分別可達(dá) 75.8 MPa·m ^1/2 與 10⁹ MPa·m 1/2[86] ，這與 LPBF 成形的 TC4 相近。關(guān)于其他增材制造方式，童邵輝等 [87] 對(duì) EBM 成形 TC4 的斷裂韌性進(jìn)行了研究，在將基板預(yù)熱到 700℃后其制件根據(jù)打印方向不同斷裂韌性在 85.33~101.45MPa·m ^1/2 之間，與熱處理后的 LPBF 制件接近，但EBM 的真空環(huán)境以及 700 ℃的基板預(yù)熱溫度對(duì)設(shè)備要求較高；薛蕾等 [88] 測(cè)量了激光立體成形（laser solid forming，LSF）TC4 的斷裂韌性，其范圍在52.6~62.7 MPa·m 1/2 ，高于沉積態(tài) LPBF 試樣，但 LSF精度低于 LPBF；與其類似的還有電弧增材制造技術(shù)（wire arc additive manufacturing，WAAM），ZHANG 等 [84] 通過(guò)振蕩沉積策略使得沉積態(tài)的WAAM 制件斷裂韌性最高可達(dá) 82.1 MPa·m ^1/2 ，但WAAM 相比 LPBF 也存在精度不足的問(wèn)題。

對(duì)于 LPBF 工藝，由于 HIP 在進(jìn)行熱處理的同時(shí)能減少試樣中的缺陷，對(duì)斷裂韌性這類動(dòng)態(tài)力學(xué)性能提升較大，是目前提升 LPBF TC4 斷裂韌性的最佳方案。但實(shí)際使用時(shí)還要考慮零件所要求的損傷容限性能，在滿足損傷容限的情況下，采用工藝更為簡(jiǎn)單的退火或固溶時(shí)效處理也是可以的。

5 、結(jié)束語(yǔ)

隨著激光粉末床熔融 TC4 制件在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用日漸廣泛，其動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的重要性愈發(fā)突出。激光粉末床熔融成形的 TC4 合金具有良好的抗拉強(qiáng)度，但其疲勞性能和斷裂韌性較差，通常需要經(jīng)過(guò)后續(xù)的熱處理來(lái)提升其疲勞強(qiáng)度和斷裂韌性。

然而常見(jiàn)的高溫退火、固溶時(shí)效以及熱等靜壓等手段在提高疲勞強(qiáng)度與斷裂韌性的同時(shí)均會(huì)伴隨不同程度的抗拉強(qiáng)度下降，如何減少抗拉強(qiáng)度降低的程度將會(huì)成為未來(lái)研究的一個(gè)方向。因此本文總結(jié)了激光粉末床熔融成形 TC4 合金的特點(diǎn)與相應(yīng)的處理方法，并對(duì)其拉伸性能、疲勞性能和斷裂韌性進(jìn)行了具體分析。為獲得更高的力學(xué)性能可以從以下兩點(diǎn)入手：（ 1） NAMP（Net-Additive Manufacturing Process）多步熱處理方案由于保留了激光粉末床熔融 TC4 特有的針狀結(jié)構(gòu)，在大幅提升疲勞強(qiáng)度的同時(shí)只犧牲了一小部

分抗拉強(qiáng)度，該熱處理方案對(duì)于斷裂韌性的影響可進(jìn)行進(jìn)一步的研究。（2）激光沖擊強(qiáng)化等手段表明材料的表面狀況對(duì)其力學(xué)性能有一定影響，在熱處理后進(jìn)行表面加工可以進(jìn)一步提升其力學(xué)性能。對(duì)這些方面展開(kāi)研究能有效拓寬激光粉末床熔融成形TC4 合金的應(yīng)用場(chǎng)景，為各行各業(yè)，尤其是航空航天行業(yè)提供有力的技術(shù)保障。

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基金項(xiàng)目：跨尺度微結(jié)構(gòu)/缺陷形態(tài)對(duì)增材制造構(gòu)件長(zhǎng)壽命服役行為的影響機(jī)制研究基金項(xiàng)目（2022YFB4601002）;上海市青年科技啟明星計(jì)劃資助（22QB1401300）

通訊作者：張亮（1985—），男，研究員，博士，研究方向?yàn)榻饘僭霾闹圃欤?lián)系地址：上海市虹口區(qū)邯鄲路 99 號(hào)上海材料研究所（200437），E-mail:zhangliang@srim.com.cn

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