3D打印技术又被称为“急剧成形技术”、、、“增材制作技术”和“实体自由制作”等，其思想最早在 19 世纪末出现于美国，并在 20 世纪80年代得到利用与发展，至今已有30多年[1-2]。3D打印技术基于离散-堆积道理，选取与减材制作技术相反的加工方式（逐层累加），通过操作推算机使资料逐层累加，最终得到立体实物的过程[3-7]。相比于传统的减材制作技术，3D打印技术拥有精度高、、、工艺单一、、、自由度高、、、节约原资料、、、节俭功夫等利益，在航空航天、、、工业、、、国防、、、医疗、、、汽车、、、电子等领域得到了宽泛的利用 [8-9]。目前可用于3D打印的原料重要有高分子资料（树脂、、、塑料、、、橡胶等）、、、金属资料（铝合金、、、钛合金、、、不锈钢等）和非金属资料（陶瓷、、、石膏、、、纸张等），其中高分子资料和非金属资料3D打印技术起步较早、、、钻研较多，技术相对成熟[8]。而金属资料3D打印技术则具备巨大的发展潜力，有专家预测，在将来制作业中，金属资料3D打印技术将会逐步占据整个急剧成形制作领域的主导职位[10]。

钛合金是一种重要的有色金属，拥有密度小、、、比强度高，以及优良的耐侵蚀机能、、、高温变形机能和生物相容性等诸多利益，在航空航天、、、工业、、、国防、、、医疗等领域得到宽泛利用[1, 11-12]。传统的铸造和铸造步骤所制得的大型复杂的钛合金构件，由于成本高、、、工艺复杂、、、资料利用率低以及后续加工难题等不利影响，严重故障了其更为宽泛的利用。而3D打印技术选取与传统的减材制作相反的加工步骤，有着极高的资料利用率，相比传统的成形加工步骤有着极大的优势。目前对钛合金3D打印的钻研重要集中在资料、、、设备、、、技术以及工艺方面，但是对零件的成形过程中缺点问题的钻研还处于初步阶段。本文综述了国内外几种常用的钛合金3D打印技术，重点介绍了其在成形过程中缺点的分类、、、危：：σ约靶纬稍虻淖暄薪，并结合国内外的钻研进展，对合金缺点的改善步骤进行探求，对钛合金3D打印的发展远景进行瞻望。

1、、、 钛合金3D打印技术分类

当今，国内外常用的钛合金3D打印步骤重要有以下几种。凭据热源分歧可分为：：：以激光为热源的激光选区烧结成形技术（selective laser sintering,SLS）、、、激光选区溶解成形技术（selective laser melting,SLM）和激光近净成形技术（laser solid forming,LSF）；以电子束为热源的电子束选区溶解成形技术（electron beam selective melting, EBSM）和电子束熔丝沉积成形技术（electron beam fuse depositionforming, EBF3）。

SLS 技术基于激光粉末床，使用激光有选择地对粉末进行烧结，逐层叠加得到最终的实体零件。拥有资料利用率高、、、合用领域广、、、无需模具和支持结构、、、可直接制作肆意状态复杂的结构件等利益；但是由于烧结过程中粉末没有齐全溶解，且之间没有受到压力，因而孔隙无法解除，最终得到的制件机能与传统制件相比仍有较大差距，存在残存应力大、、、致密度低、、、强度低等缺点[10]。

LSF 技术选取同步送粉方式，在激光作用下钛合金粉末起头溶解、、、凝固，逐层堆积，可实现钛合金零件直接制作。该技术拥有低成本、、、周期短、、、无需模具、、、资料利用率高档利益，但成形精度低，属于“近净成形”，需经过后续加工能力得到最终的制件[9]。

在 SLS 技术基础上发展起来的 SLM 技术所使用的激光功率更大，整个加工过程都处于；し瘴У某尚尾漳，金属粉末齐全溶解，成功添补了SLS 技术只能成形低熔点金属、、、孔隙大、、、力学机能差等弊端[13-14]；成形件的精度高和理论质量好，无需后续加工，属于“净成形”，但是可成形的尺寸有限，且成本较高。

EBSM 技术与 SLM 技术的成形道理根基类似，重要区别在于 EBSM 技术选取能量更大的电子束为热源，整个成形过程均在真空环境中（≤10–2Pa）进行，可能很好地预防空气中其他有害杂质 C、、、N、、、O 等的影响。拥有成形速度快、、、能量密度高、、、无反射、、、聚焦方便、、、真空无传染、、、尺寸精度高、、、力学机能好等利益[15-17]； LSF 技术基础发展起来的 EBF3 技术，拥有成形效能快、、、无反射、、、资料和能量的利用率高、、、真空无传染等利益，适合大中型钛合金零件的成形制作修复。以丝材包办粉末为原料固然预防了吹粉问题，但是其成形精度差，必要后续理论处置[18-19]。

表 1 为几种常见的钛合金3D打印技术比力。

综合对比，EBSM 技术是将来最具发展远景的钛合金3D打印技术，理由如下：：：（1）EBSM 拥有与SLM 技术相当的成形精度、、、理论质量以及优良的力学机能，并且也克服了 SLM 技术不能成形大尺寸零件的弊端；（2）整个成形过程均在真空环境下进行，有效预防成形过程中 C、、、N、、、O 元素对资料的传染；（3）选取功率更大的电子束包办激光束，不只加快成形效能，并且降低出产成本。

2 、、、3D打印成形钛合金构件缺点分析

选取3D打印技术制备钛合金，成功克服了使用传统步骤制备钛合金结构件时，所面对的用度高、、、资料浪费严重、、、加工工艺复杂，以及后续加工难题等不利成分，但选取3D打印技术成形钛合金零件时，由于粉末/丝材特殊的加工机能，或者工艺参数选择不当，工件容易出现球化、、、裂纹、、、孔隙以及翘曲变形等缺点。如图 1 所示，严重影响钛合金的机械机能和成形精度，故障了钛合金3D打印技术的发展。别的，缺点无损检测是3D打印件能否实现宽泛利用的基础，也是影响3D打印技术进一步发展的决定成分。目前，国内外对3D打印件缺点进行无损检测的步骤重要有[20-22]：：：渗入检测、、、X 射线检测、、、磁粉检测和超声检测等。随着3D打印件向结构大型化、、、复杂化和精密化方向发展，传统的无损检测步骤已经不再合用于3D打印件的缺点检测和分析，新型的无损检测技术工业 CT 检测和激光超声在线无损检测相继问世。Plessis 等[23]选取 CT 技术检测3D打印成形的复杂钛合金结构件，成功检出了孔隙率仅为 0.005% 的微孔隙，这在选取通例无损检测步骤是险些不成能检出的。国内一专利[24]发了然激光超声无损检测技术，利用激光激励的超声理论波幅的变动检测3D打印过程中产生的缺点，实现制作过程同步对零件进行检测。

表 2 列出几种常见的无损检测技术比力。

随着科学技术的进取，3D打印技术也在一向地美满和发展，目前国内外逐步对这些缺点形成的原因、、、分类及其危：：辛舜罅康淖暄，以期使钛合金3D打印技术得到更为宽泛的利用。

2.1 球化景象

球化景象是3D打印金属资料成形过程中常见的一种缺点，是指金属粉末经激光或电子束溶解后，不能均匀地铺展于前一层，而是产生大量相互隔离的球状金属，这种景象被称为球化景象[25]。该缺点重要的危：：τ幸韵铝礁龇矫妫：：（1）导致金属件组织内部存在孔隙，大大降低成形件的力学机能并增长了理论粗糙度；（2）凝固后的金属球又会使下一层的铺粉不均匀，且铺粉辊又会与前一层所产生的金属球相互摩擦，不只会粉碎成形件的理论质量，并且当他们之间摩擦极度大时，铺粉辊将寸步难移，以至成形过程终止。

近年来，越来越多的学者对球化景象形成原因进行了大量的钻研，但各持分歧的定见。其中“液态金属与固态理论的润湿问题”的说法较为普遍接受[26]。球化凭据尺寸分歧可分为大尺寸球化和小尺寸球化，对大尺寸球化的形成原因综合于液-固润湿问题。图 2 所示为液态金属与固态金属的润湿示意图，当熔融金属液均匀铺展时，润湿角θ <90°，固液金属润湿性优良，不会出现球化，当金属液很难铺展于固态理论时，θ > 90°，固液金属润湿性差，产生球化反映。对于小尺寸球化的成因，则以为是加工过程中产生液滴飞溅，在熔道或熔道周围凝固成金属球，由于金属液飞溅相对较少，所以金属球的尺寸也较小。Sallica 等[12]通过钻研 SLM成形件 Ti-6Al-4V 的微观组织，发现过高的激光功率会减小熔融金属的理论能，并导致球化景象的产生。张晓博[27]钻研了加工环境对球化景象的影响，以为成形空气中的氧元素容易与熔融金属液产生反映，形成一层致密的氧化物薄膜，该薄膜并不利于金属液与固体基底润湿、、、粘合，容易导致球化的产生，且球化景象随氧含量的增长，成效越显著；他还钻研了工艺参数对球化景象的影响，以为激光功率过高，会出现“飞溅”，导致熔道间的金属球大量出现，球化景象显著；扫描速度过快，激光在粉末上停顿的功夫较短，金属液温度低，流动性及润湿性差导致球化景象显著。沈以赴等[15]以为球化是由于液相理论张力大、、、黏度高，或熔融粉末与未溶解的粉末颗粒：：突逦床润等的影响下产生，进一步分析批注，激光急剧成形过程中的氧气是导致球化的直接原因。Gusarov 等[28]借助 Plateau-Rayleigh 毛细不不变理论[29]指出：：：球化景象与熔池的几何状态亲昵有关，在二维层面上，熔池长度与宽度的比值大于 2.1 时，容易出现球化景象。

2.2 孔隙

孔隙是成形过程中的另一种重要缺点，对于一些高机能致密的钛合金制件，由于孔隙的存在严重降低了制件的力学机能和致密性，故障了钛合金的宽泛利用。对于孔隙的成因钻研报道较多，上面谈到的球化景象会引起制件的孔隙问题；裂纹也会导致孔隙的形成，随着裂纹尺寸的不休变大，裂纹会相遇衔接，最后形成孔隙；别的粉末自身的缺点也会导致孔隙产生，在急剧溶解和凝固过程中，空心粉中含有的气体来不及逃逸，从而在成形件中残留形成孔隙，此类孔隙描摹多为球形或类球形。

Gong 等[30]通过使用较大领域的工艺参数成形Ti-6Al-4V 合金，凭据孔隙率巨细将工艺参数进行分类，并对孔隙的产朝气理进行了会商。薛雷等[31]别离选取未经干燥处置和经真空干燥处置的 TC4粉末对制件进行激光急剧修复，以为修复过程中孔隙的形成原因归因于以下两种：：：（1）粉末铺放时吸附了空气中的其他杂质气体，在随后的成形过程中受到激光/电子束加热、、、溶解后，又经急剧凝固得到成形件，其组织内部的气体析出不实时，保留在成形件中并形成孔隙；（2）粉末不够干燥且存在水分，在加热熔融后，一部门在熔池理论左近的水分以水蒸气的大局蒸发逸出；远离熔池理论的另一部门水分，与（1）类似的情况，由于气体来不及逸出，在制件内部产生气孔。Zaeh 等[32]钻研发现，使用高能量密度的热源加工时，容易造成受热不均，当某部门热量过高时，即便粉末还未引起球化景象，但仍会形成孔洞，并且浮泛在后续的加工过程中会变长。 Sallica 等[12]钻研发现当激光功率过低时，导致溶解不齐全从而引起孔隙，影响致密性。

2.3 裂纹

裂纹是激光急剧成形过程中影响极大的一种缺点。在成形过程中，由于熔体过冷度大、、、冷却速度快，在冷却过程中应力得不到开释而保留在制件内，当应力集中超过资料屈服强度就会产生裂纹[27]。裂纹通？？？煞治⒐哿盐坪秃旯哿盐屏街，其中成形件组织内部的微观裂纹通常是凝固裂纹，归类为热裂纹；宏观裂纹则大部门阐发为层间裂纹，属于冷裂纹领域。若制件中存在裂纹，将严重影响制件的组织和力学机能。微裂纹尺寸相对较小，会降低抗委顿机能，缩短成形件的使用寿命；对于粗裂纹而言，会影响零件的使用机能，甚至导致零件直接报废。

周旭等[33]钻研了近 α 钛合金激光选区溶解成形的开裂机理，得出如下结论：：：在残存应力作用下，裂纹形成于侧壁缺口，在沉积层上沿着硬脆化合物扩大。张升等[34]选取交替扫描战术制备出 TC4 合金试样，得出如下结论：：：SLM 成形 TC4 合金过程中裂纹重要为冷裂纹，拥有典型的穿晶断裂特点，并指出是由于 SLM 成形过程中激光溶解金属粉末受热不均，以至成形件组织内部产生大的残存应力，别的残存应力的作用下马氏体组织（抗裂强度低）也会产生裂纹。Lukas 等[35]钻研了工艺参数对 SLM技术的 β 型 TNM-B1 钛铝合金裂纹的成因，得出如下结论：：：功率和扫描速度较低时，制件容易产生垂直于熔池的裂纹，并以为在凝固过程中过快的冷却速度所产生的残存应力是导致开裂的重要原因。

西北工业大学的张凤英等[36]持一样的见解，也以为是工艺参数选择不当，造成 SLM 制件内部粉末熔合不良，导致制件产生开裂。刘延辉等[37]钻研了激光3D打印 TC4 钛合金根部裂纹产生的原因，微观组织如图 3 所示，以为 TC4 钛合金出现裂纹的底子原因是根部存在组织缺点、、、过大的残存应力、、、机能散布不均以及预热温度不及等共同导致的。刘彦涛等[38]钻研职能梯度资料 TA15 + Ti2 AlNb 合金激光熔融沉积成形时发现，激光溶解沉积技术所制备异种资料的界面为冶金结合，异种资料结合界面会形成过渡区，过渡区通常是梯度复合结构的幽微环节，容易产生裂纹，此裂纹拥有沿界面断裂的特点，他们以为裂纹形成的原因是异种资料界面过渡区通；嵊卸曰懿焕牡诙相析出，导致资料易沿界面断裂。

2.4 翘曲变形

翘曲变形是基于粉末床3D打印成形技术的又一个难题，时时呈此刻悬伸无支持部门，其形成的最底子原因是移动的激光点或电子束热源对粉末床的不均匀加热，形成大的温度梯度，导致资料系统收缩的不一致，重要是熔固收缩和温致收缩[39, 49]。其中温致收缩是指成形件在打印实现后，冷却至常温的过程中所产生的收缩，与资料自身的收缩率有关，对产生翘曲变形作用较；熔固收缩是由于粉末经激光/电子束熔融后，时时产生的一种行为。重要是由于成形过程中，粉末经加热后从熔融状态转变为固态，温差变动较大，故熔固收缩相当严重[39, 43]。

翘曲变形对成形件的尺寸巨细、、、成形精度、、、形位误差等的影响很大，甚至会严重影清脆续加工。国内外针对钛合金翘曲变形的钻研较少。吴伟辉等[40]对成形过程中造成翘曲变形的成因进行了钻研，翘曲变形示意图如图 4 所示，能够看出激光作用确当前层 (i) 层，受到高温的作用处于塑性状态，在凝固过程中过快的冷却速度，导致收缩变形；第 (i–1) 层温度略低于第 i 层的温度，此时塑性较差或处于弹性状态，在冷却过程中，其收缩变形小于第 (i) 层的变形量，但是在第 (i) 层严重翘曲变形的作用下，第 (i–1) 层也会产生大幅度的向上翘曲变形。同理第 (i–2)、、、(i–3) 层也有一样的影响，只是距离 (i) 层越远，对应层的收缩量越小，当距离 (i)层达到肯定距离时，对应的层已不产生收缩变形，翘曲变形终止。齐海波等[41]选取电子束选区溶解成形TC4 钛合金成形件，以为扫描蹊径对成形件温度散布的影响，导致热应力散布不均匀是翘曲变形产生的重要原因。杨立宁等[42]通过成立数值分析模型，钻研了在分歧扫描蹊径和堆积速度下，所对应的热应力场散布和变动行为，以及它们对制件翘曲变形的影响。李守卫等[43]分析了 SLS 技术成形过程中的温度场与热应力场对翘曲变形的影响机理。

3、、、 钛合金3D打印成形工艺优化

针对上述各类常见的合金缺点，国内外学者使用分歧的道理，选取分歧的工艺优化步骤对合金缺点的克制进行了探索。其中钻研较多的步骤重要有：：：对粉末进行预热、、、优化工艺参数或者对制件进行后续热处置等，都能够相应地改善合金的缺点，提高合金的组织机能。

3.13D打印工艺优化

使用分歧的成形技术，加工分歧的资料，其最优的工艺参数各不一样，合理的设置工艺参数（激光功率、、、扫描速度、、、扫描间距、、、扫描战术、、、层厚、、、预热温度以及成形空气等）可能显著减小球化、、、孔隙、、、裂纹以及翘曲变形等缺点。

Fischer 等[44]基于 SLS 技术使用高能量密度的激光（Nd:YAG 激光），对工业纯 Ti 进行了激光成形。了局发现：：：制件的球化景象显著得到改善，且成形件的孔隙率也得到提高。Cormier 等[45]以为选取预热增长粉末黏度，将待溶解粉末加热到肯定的温度，可有效削减球化景象。张永志等[46]钻研发现，通过对基板进行预热可降低熔池的凝固速度与成形过程中的温度梯度，减小 SLM 成形合金中的裂纹数量，但无法齐全解除裂纹。梁晓康等[47]选取 SLM 成形技术制备 TC4 钛合金试样，钻研了工艺参数对残存应力的影响。了局发现：：：扫描战术对理论残存应力散布有肯定的影响，当线能量密度一按时，随着填充间距的增长，成形层理论残存应力有减小的趋向。周旭等[33]钻研了近 α 钛合金激光选区溶解成形开裂机理及克制钻研，发现对工艺进行优化，可减小组织内部的残存应力，从而可有效克制裂纹的产生；别的还钻研了预热温度对裂纹克制的影响，发现裂纹的数量随着预热温度的提高逐步削减，在预热温度提高到 350 ℃ 时，裂纹险些齐全隐没。陈静等[48]钻研了 TC4 钛合金的激光急剧成形，了局发现，氧含量严重影响成形件的工艺、、、理论质量和开裂行为，当保障氧含量低于 0.02%（质量分数）时，得到的 TC4 薄板试样理论质量优良且没有孔隙、、、裂纹等缺点。傅蔡安等[49]钻研了扫描蹊径对选择性激光烧结工艺成形件的翘曲变形的影响，得出如下结论：：：优化了扫描蹊径不仅大大降低翘曲变形量，并且大大缩短加工功夫提高加工效能。

3.2 后处置工艺优化

钛合金3D打印制件的后处置工序重要有退火、、、热等静压、、、固溶时效、、、抛光、、、渗碳等，其中退火的重要主张是减小零件内部的残存应力，热等静压则能够削减组织内部的孔隙。汤慧萍等[50]在粉末床预热的基础上，结合随行热处置工艺[51]，也就是在每实现一层粉末溶解扫描后，再经急剧扫描实现缓冷保温，从而通过塑性及蠕变使应力松弛，预防应力应变累计，达到减小变形、、、克制零件开裂、、、降低残存应力水平的主张。张霜银等[52]利用小孔开释法对 TC4 钛合金（LENS 技术成形）沉积态和热处置后的残存应力进行钻研，了局批注，经热处置后，成形件的残存应力降低显著，且散布均匀。

Terner 等[53]以为金属粉末在制备过程中所存在的氩气泡，在随后的成形过程中会导致孔隙的产生，它通常呈藐小球状，再经热等静压处置后，孔隙会再次减小，但不影响资料的力学机能。

4 、、、钛合金3D打印技术的发展趋向

钛合金3D打印技术作为一项前沿的制作技术，集设计、、、制作于一体，近年来引起各界宽泛关注，并在航空航天、、、国防军事、、、生物医学、、、汽车高铁等高精尖领域展示了辽阔的利用远景，但是，相较于传统制作技术起步较晚，发展汗青仅 30 年左右，与世界先进国度比力还存在很大的差距，好比：：：钛合金零件的成形效能低、、、精度还未能达到高精水平、、、设备和资料的制备成本高，以及仍未实现大规模的工业、、、贸易利用等问题，出格是成形件缺点的克制问题。目前我国对零件的成形过程中存在的缺点问题，球化、、、裂纹、、、孔隙、、、翘曲变形等的钻研还处于初步阶段，仍有大量的钻研工作急需进行。将来钛合金3D打印技术的发展趋向如下：：：

（1）在资料方面，研制开发新型的球形钛合金粉末的出产设备和制备工艺，提高钛合金粉末的质量（粒度、、、球形度、、、流动性、、、同化气体等），进而改善制件的组织和力学机能。此外，通过提高粉末的收得率和粉末的回收再利用来降低成本。

（2）在设备方面，一方面应提高设备的成形效能、、、成形精度，以及降低成本等；别的，还要研发大型的工业级打印设备，逐步实现大规模出产和利用。

（3）在检测方面，伴随3D打印件向大型化、、、复杂化和精密化方向发展，好多传统的无损检测步骤存在盲区，必要开发新型的无损检测技术；通过对组织、、、缺点实时监控的在线检测技术是将来重点的钻研方向之一；别的，成立和美满无损检测尺度，是3D打印技术宽泛利用的凭据。

（4）在工艺方面，进一步优化3D打印技术的工艺，克制成形过程中的缺点，提高成形件的力学机能。成形过程中零件内应力演变法规、、、变形开裂行为以及缺点产朝气理等关键问题，依然是将来必要重点钻研的问题。

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