TC4鈦合金是20世紀中期所研發(fā)出的一種α+β型鈦合金，具有密度低、導熱系數(shù)小、耐腐蝕、高溫力學性能穩(wěn)定等特點[1-2]。鑒于其優(yōu)良的特性，TC4鈦合金在各個領(lǐng)域都有應用，使用量已經(jīng)達到了全球鈦合金消費品的50%以上，是應用最廣泛的鈦合金[3-4]。但TC4鈦合金因為化學活性高，變形阻力大等因素會導致其存在加工周期長、制造成本高、制造柔性差等諸多難題[5-6]。尤其是通過鍛壓工藝制備不同尺寸的大型TC4鈦合金構(gòu)件時，需要配備不同尺寸的鍛壓設(shè)備和模具，導致成本增加和材料成品率低，在一定程度上限制了TC4鈦合金的應用[7-8]。因此，一些學者將目光轉(zhuǎn)向了增材制造技術(shù)。

增材制造技術(shù)作為21世紀迅速發(fā)展的一種快速近成形制造技術(shù)，很好地解決了傳統(tǒng)制造中的難題，使材料利用率和成品率都提高了一個等級[9-10]。在諸多增材制造技術(shù)中，與金屬相關(guān)的增材制造技術(shù)主要包括直接能量沉積技術(shù)(directedenergydeposition,DED)、粉末床熔融技術(shù)(powder-bedfusion,PBF)、薄片層疊技術(shù)(sheetlamination,SL)[11]。金屬增材制造技術(shù)中，常用的熱源有激光和電弧等[12-15]。

隨著海洋船舶、航空航天技術(shù)的發(fā)展，對質(zhì)量輕、耐腐蝕的大型TC4合金構(gòu)件需求越來越大。然而無論是傳統(tǒng)的模具鍛造還是增材制造技術(shù)，都存在隨架構(gòu)尺寸增加導致其加工成本急劇飆升的問題[16-17]，故需要基于現(xiàn)有資源來拓展制備大型TC4鈦合金構(gòu)件的能力，因此有學者提出了混合制造的工藝理念。混合制造技術(shù)采用化整為零的思想。首先通過傳統(tǒng)的鍛造或者鑄造技術(shù)制造出整體構(gòu)件中較為簡單的一部分并將其作為基體，然后使用增材制造技術(shù)在基體上制造較為復雜的一部分，最后將混合制造出的構(gòu)件進行二次加工得到最終構(gòu)件[18-22]。該技術(shù)充分發(fā)揮了傳統(tǒng)鑄鍛制造和新型增材制造的自身優(yōu)勢，不僅可以快速制造出所需構(gòu)件，還減少了加工步驟，避免了大量的材料浪費。這兩種技術(shù)分別作為混合制造技術(shù)的一部分，發(fā)揮其相互協(xié)同的作用可以更好應對大型TC4鈦合金構(gòu)件的工業(yè)需求。同時，基于增材制造技術(shù)的成形特點，可以通過對基體的調(diào)整來對增材部分進行一定調(diào)控。混合制造技術(shù)近些年已在制備大型構(gòu)件方面表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢[2,8,23-24]。同時，為了改善增材制造TC4鈦合金的組織及性能缺陷，對在線軋制技術(shù)與增材制造相結(jié)合的混合制造技術(shù)也有了一定研究。本文對國內(nèi)外相關(guān)文獻進行梳理，系統(tǒng)總結(jié)了TC4合金混合制造技術(shù)中的組織和性能特點及其影響因素，為深入研究和發(fā)展TC4合金混合制造技術(shù)提供技術(shù)支持。

1、TC4鈦合金激光/電弧混合制造技術(shù)

混合制造技術(shù)中，激光混合制造和電弧混合制造是當前研究較多的兩種工藝。其中，激光混合制造是將激光加工與傳統(tǒng)機械加工相結(jié)合，通過激光束熔化金屬粉末或線材并堆疊成所需形狀，最終形成完整的零件。而電弧混合制造則是利用電弧加熱將金屬線材熔化并沉積在基底材料上，通過重復沉積層疊，逐步制造出三維零件。

在TC4鈦合金混合制造方面，激光混合制造和電弧混合制造都取得了較好的效果。以激光混合制造為例，該工藝主要基于激光選區(qū)熔化技術(shù)(selectivelasermelting,SLM)和激光熔化沉積技術(shù)(lasermelt-ingdeposition,LMD)[25-26]，可以在TC4鈦合金的表面形成幾十到幾百微米的均勻熔池，并通過控制激光功率、掃描速度等參數(shù)來實現(xiàn)更高精度和更優(yōu)質(zhì)的加工效果，其工藝流程如圖1所示。SLM技術(shù)采用功率較低的激光器，通過預先鋪設(shè)粉末，逐層選區(qū)熔化粉末的方式堆積構(gòu)件。其特點在于成形精度高、成型件不易變形，適用于較為復雜的構(gòu)件制造[27-30]。而LMD技術(shù)是采用高能激光束在基體表面形成熔池并沿著規(guī)劃的路徑掃描，在此過程中同步送粉。其特點在于成形尺寸不受限制、成形效率高，適用于大型金屬構(gòu)件的毛坯制造[31-33]。這兩種技術(shù)均突破了傳統(tǒng)模具的限制，并有效提升了材料利用率，廣泛應用于混合制造中。

電弧混合制造也同樣適用于TC4鈦合金的制造。該工藝基于電弧增材制造(wireandarcadditivemanufacturing,WAAM)技術(shù)，可以在TC4鈦合金表面形成較大的熔池，使得熔化區(qū)域更加穩(wěn)定，并可實現(xiàn)較高的成形率和機械性能。與激光混合制造技術(shù)相比，電弧混合制造優(yōu)勢在于設(shè)備成本低、運行成本低、能量利用率、材料利用率和沉積率大[15,34-36]。有報道指出電弧增材效率最高已經(jīng)超過20kg/h[37]。挪威NorskTitanium公司開發(fā)的第四代WAAAM裝備在低精度沉積TC4鈦合金時的沉積速率達到了10kg/h，在高精度的條件下，沉積速率也可以達到1~2kg/h[12]。

WAAM技術(shù)使用電弧作為熱源，熔化金屬絲材，使其以熔滴的形式滴落在基板上堆積并凝固成形。同時，在此過程中需輔以惰性氣體保護[38-40]，其工作流程如圖2所示[41]。

2、激光混合制造TC4鈦合金組織和性能及影響因素

混合制造中，基體與增材結(jié)合區(qū)的組織對于整體構(gòu)件的組織演化有著重要的影響，試樣沉積過程中，不同位置的熱累積和散熱效果不同，就會導致組織呈現(xiàn)出一種非均勻的狀態(tài)。因此，明晰混合制造TC4鈦合金構(gòu)件結(jié)合區(qū)的組織演變規(guī)律有著極其重要的意義。Li等[42]采用激光DED法在鍛造基底上制備了TC4鈦合金混合試樣，研究發(fā)現(xiàn)由于熱歷史的不同，混合制造TC4鈦合金的組織表現(xiàn)為自下而上的梯度組織，大致分為基體區(qū)、結(jié)合區(qū)、增材區(qū)。

基體區(qū)由于受熱輸入的影響較小，組織形態(tài)與基底原始組織相比并未發(fā)生太大變化，由等軸α相和轉(zhuǎn)變β相組成。在結(jié)合區(qū)，隨著熱輸入的累積和熱循環(huán)次數(shù)增加，等軸α相轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪啵⑶译S著沉積層數(shù)增加和峰值溫度的降低發(fā)生α→β→α相非平衡擴散，形成ghost結(jié)構(gòu)。同時，α相析出，在β晶粒內(nèi)部形成層狀α。在增材區(qū)，微觀結(jié)構(gòu)由β柱狀晶組成并沿沉積方向生長，且由于冷速較快形成細長的網(wǎng)籃組織，如圖3所示。

王亞輝等[43]對混合制造TC4鈦合金的組織演變規(guī)律進行研究得到了類似的結(jié)果。結(jié)合區(qū)組織整體呈現(xiàn)出非均勻狀態(tài)。隨著熱輸入的累積，熔池溫度升高，結(jié)合區(qū)組織逐漸從雙態(tài)組織向網(wǎng)籃組織轉(zhuǎn)變。Liu等[44]研究了LMD與SLM混合制造的TC4鈦合金，發(fā)現(xiàn)在結(jié)合區(qū)處有較為明顯的熱影響區(qū)，如圖4所示。從SLM基底區(qū)到LMD增材區(qū)，其晶粒尺寸呈現(xiàn)出從小到大的梯度變化趨勢，且結(jié)合區(qū)冶金結(jié)合致密，未形成明顯缺陷團簇區(qū)。王維等[45]也做了相同的研究，發(fā)現(xiàn)結(jié)合區(qū)組織主要由少量的α板條和針狀α′馬氏體組成。微觀組織的演化主要由溫度梯度和加熱時間決定。

諸多研究[20,42-43,46]表明，在TC4鈦合金混合制造成形件中，增材區(qū)的顯微硬度均高于基體區(qū)的顯微硬度，原因可歸結(jié)于在增材區(qū)的冷卻速率較快，內(nèi)部存在針狀的α′相且網(wǎng)籃組織中有更多的α/β相界面，增加了區(qū)域的硬度。劉祥宇等[47]發(fā)現(xiàn)成形件的室溫拉伸性能存在各向異性，垂直于沉積方向(XY)的抗拉強度和屈服強度明顯高于平行沉積方向(Z)，而Z方向的伸長率和斷面收縮率則優(yōu)于XY方向，如表1所示。造成各向異性的原因在于外延生長的柱狀晶，XY方向上主要為等軸晶粒，其晶粒尺寸要比Z方向的更細小，因此在XY方向上包含更多的晶界，從而使得XY方向具有較高的強度，Z方向具有較高的塑性。Meiners等[48]通過研究，認為造成各向異性的原因在于拉伸過程中載荷穿過β晶粒晶界時，會促進晶界α過早失效。

激光混合制造TC4鈦合金結(jié)合區(qū)的微觀組織和力學性能受多種因素影響，主要包含以下幾個方面：

(1)后處理工藝

在混合制造TC4鈦合金中，常用熱處理來對構(gòu)件進行后處理，合適的熱處理制度可以有效改善其構(gòu)件組織的均勻性。Dolev等[46]對混合制造TC4鈦合金進行了800℃/4h/FC熱處理，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過熱處理后的結(jié)合區(qū)微觀組織結(jié)合緊密，未發(fā)現(xiàn)孔隙等缺陷。值得注意的是，在高倍率情況下，結(jié)合線處未發(fā)現(xiàn)明顯的熱影響區(qū)，僅有一層薄層將他們分開，即使在低倍率的情況下，也僅僅是在鍛造基底一側(cè)發(fā)現(xiàn)約40μm的過渡層并呈現(xiàn)出α+β微觀結(jié)構(gòu)，這在混合制造中并不常見，如圖5所示。王舒等[49]通過對混合制造TC4鈦合金進行780℃/2h的退火處理后也發(fā)現(xiàn)了類似Dolev的結(jié)果。Li[42]則發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過1000℃固溶處理和540℃時效處理后，顯微組織發(fā)生顯著變化，原有的熱影響區(qū)消失。為了消除成形件的各向異性，王維等[45]對成形件進行850℃/2h/AC熱處理后，出現(xiàn)了雙頸縮現(xiàn)象，有效提升了成形件的塑性。Meiners等[48]對成形件進行1050℃/3h+710℃/6h/AC熱處理，成功消除了抗拉強度和延伸性上的各向異性。

(2)熱輸入

在混合制造TC4鈦合金構(gòu)件成形過程中，工藝參數(shù)極大地影響了構(gòu)件內(nèi)部的組織特征。馬健凱等[50]研究了不同線能量密度下混合制造TC4鈦合金構(gòu)件的組織變化，發(fā)現(xiàn)隨著線能量密度的增加，混合制造TC4鈦合金結(jié)合區(qū)中等軸α相和片層α相的尺寸均有一定程度增長，而β相的尺寸增長則較為明顯，其微觀組織如圖6所示。當線能量密度從100J/mm升至200J/mm時，β相的尺寸由之前的40μm增長到110μm。王瑞等[51]研究了不同工藝參數(shù)下混合制造TC4鈦合金構(gòu)件熱影響區(qū)的變化，發(fā)現(xiàn)隨著熱輸入的增加，熱影響區(qū)的范圍也逐漸擴大，其內(nèi)部的α相尺寸也有一定程度增長。

(3)基板初始形貌

在混合制造中，基板作為整體構(gòu)件的一部分，其初始形貌對構(gòu)件的組織變化也存在一定影響。Kalashnikov等[52]研究發(fā)現(xiàn)，基板的厚度對結(jié)合區(qū)附近的組織變化有一定影響。當基板厚度從2.5mm增加至10mm后，結(jié)合區(qū)附近的α板條的尺寸從1μm增加到了1.27μm。曹銘[53]研究了不同表面粗糙度的基板對混合制造TC4鈦合金組織的影響，發(fā)現(xiàn)不同粗糙度的基板上沉積的TC4鈦合金在微觀組織上并無明顯的缺陷，但隨著表面粗糙度的改善，其微觀組織分布更為均勻，且對其力學性能有一定的提升，當表面粗糙度達到Ra25時，其縱向的屈服強度和伸長率均高于鍛件的標準。

(4)基板預處理

基板的預處理對混合制造TC4構(gòu)件也存在一定影響。王瑞等[51]研究了基板預熱溫度對混合制造TC4鈦合金組織變化的影響，發(fā)現(xiàn)隨著預熱溫度的升高，等軸α相的比例逐漸降低，而次生α相的數(shù)量有一定程度的增加。葉坤[54]研究了基板預熱溫度對構(gòu)件性能的影響，發(fā)現(xiàn)較低的預熱溫度會導致基板表現(xiàn)為輕微的正撓度，導致樣品開裂，而較高的預熱溫度可以有效緩解溫度梯度以及拉伸熱應力，使樣品開裂的風險降低。

(5)基板微觀組織

在混合制造中，基板的微觀組織對整體構(gòu)件的組織變化也有一定的影響。Liu等[55]研究發(fā)現(xiàn)基板的晶體取向會影響外延晶體的高度位置，當基板晶體取向的傾角從-30°增加到+30°后，外延晶體的高度從9%增加到了24%。郭順等[56]則發(fā)現(xiàn)在TA2鈦合金基底上沉積TC4鈦合金時，由于受到TA2鈦合金基底晶粒取向的影響，TC4鈦合金會沿著TA2基底晶粒的某一擇優(yōu)取向生長，一定程度上限制了粗大β柱狀晶的出現(xiàn)。

3、電弧混合制造TC4鈦合金組織性能及影響因素

與激光增材制造技術(shù)相比，電弧增材制造技術(shù)有著更大的熱輸入，在成形過程中會產(chǎn)生較大的熔池和熱影響區(qū)，因此，其結(jié)合區(qū)的組織變化也將更為明顯。Bambach等[57]研究了電弧混合制造TC4鈦合金在航空航天部件中的應用。研究發(fā)現(xiàn)，混合制造中基板與增材區(qū)的結(jié)合線附近有約3~4mm明顯的熱影響區(qū)，由平均尺寸為70μm×70μm的球狀原始β晶粒組成，β晶粒內(nèi)部為部分馬氏體/網(wǎng)籃組織，α相也以β晶界上的薄層形式存在。Shi等[58]在研究WAAM技術(shù)混合制造中也在結(jié)合線附近發(fā)現(xiàn)了約3mm厚的熱影響區(qū)。其內(nèi)部針狀α的平均寬度約為0.85μm，比基底中的針狀α的平均寬度較粗，但比WAAM增材區(qū)域中針狀α的平均寬度較細，呈現(xiàn)出梯度變化的趨勢，如圖7所示。Liu等[59]研究發(fā)現(xiàn)，混合制造中基板區(qū)與增材區(qū)之間的熱影響區(qū)由含有α′馬氏體的細小等軸β晶粒組成。并且隨著熱輸入的累積，晶粒尺寸逐漸增大，生成較粗的等軸β晶粒。這與上述Shi等[58]研究得出的結(jié)論相吻合。而楊光等[60]的研究則表明，由于WAAM的熱輸入較大，大多數(shù)情況下會生成較為明顯的粗大β晶粒，其最大粒徑接近2mm，這在TC4激光混合制造中很少見到。

在力學性能方面，Bambach等[57]的研究結(jié)果表明，混合制造構(gòu)件結(jié)合區(qū)的拉伸性能已超過了鍛造TC4合金的最低強度要求，其斷裂伸長率略低于鍛造TC4的要求但高于鑄造TC4的要求，如表2所示。Shi等[58]對H-SLM-WAAM試樣與V-SLM-WAAM試樣的拉伸性能進行了對比，發(fā)現(xiàn)不同沉積方向沉積出的基底會使整體構(gòu)件在抗拉強度和屈服強度上產(chǎn)生明顯的差異，如表3所示，H-SLM-WAAM試樣的屈服強度和極限抗拉強度分別為850MPa和950MPa，而V-SLM-WAAM試樣的屈服強度和極限抗拉強度分別達到了905MPa和955MPa。但值得注意的是，兩種試樣的伸長率均為10.1%左右，其原因在于斷裂位置均處于WAAM區(qū)域，并未發(fā)生在結(jié)合區(qū)，因此，混合制造中SLM基底的沉積方向?qū)τ谏扉L率的影響較小。

電弧混合制造TC4鈦合金在裂紋擴展速率上也表現(xiàn)出一定的各向異性。Zhang等[61]研究發(fā)現(xiàn)，在基底中，裂紋在等軸結(jié)構(gòu)中平穩(wěn)傳播，會有較高的生長速率，而在WAAM增材區(qū)域中，由于層狀結(jié)構(gòu)，裂紋生長路徑曲折，導致生長速度較慢。這一結(jié)論與Edwards[62]和Zhang[63]研究得出的結(jié)論相互驗證，即柱狀(沉積層)和等軸晶粒(HAZ)區(qū)裂紋形態(tài)和擴展速率的差異歸因于不同的微觀組織特征。另一方面，Wang等[64]研究發(fā)現(xiàn)沉積態(tài)試樣的疲勞性能明顯優(yōu)于鍛件，這是由于沉積態(tài)組織中的集束相比鍛件中的雙態(tài)組織更能有效阻礙位錯運動。同樣驗證了混合制造中WAAM制造出的TC4鈦合金要比鍛造態(tài)的TC4鈦合金有更好的抗裂紋擴展能力。

與激光混合制造TC4鈦合金相似，電弧混合制造TC4鈦合金構(gòu)件也受到諸多因素的影響，主要包含以下幾個方面：

(1)冷卻速率

在混合制造中，冷卻速率是影響構(gòu)件的微觀組織的一個重要因素。Liu等[59]發(fā)現(xiàn)冷卻速率對于結(jié)合區(qū)的組織演化有較為明顯的影響，當冷卻速率大于410K/s時，轉(zhuǎn)變β的基體中可形成α′馬氏體結(jié)構(gòu)。當冷卻速率為410~20K/s時，可形成細小的網(wǎng)籃組織和α集束，α集束沿β晶界生長。當冷卻速率小于20K/s時，β結(jié)構(gòu)擴散形成由初生α相和次生α相組成的網(wǎng)籃結(jié)構(gòu)。Shi等[58]則發(fā)現(xiàn)熔池的大小會影響到組織的變化，由于WAAM工藝的熔池較大，約為4mm，會導致熱毛細對流的增加，從而使冷卻速率較慢，因此會生成粗大的β晶粒。

(2)熱處理制度

在電弧混合制造TC4鈦合金中，熱處理制度作為一種極為重要的后處理工藝，對混合制造TC4鈦合金構(gòu)件的組織與性能有著重要的影響。徐國建等[65]研究發(fā)現(xiàn)，隨著正火溫度的升高，TC4鈦合金構(gòu)件的力學性能呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，并且不同范圍的正火溫度會導致微觀組織產(chǎn)生不同的變化。Bermingham等[66]對TC4鈦合金構(gòu)件進行熱處理發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部組織有朝著網(wǎng)籃組織轉(zhuǎn)變的趨勢，并且通過熱處理可以有效的改善整體構(gòu)件的殘余應力。

(3)基板微觀組織

為了改善電弧混合制造TC4

鈦合金整體構(gòu)件的微觀組織，調(diào)節(jié)基板的微觀組織也是一個重要的手段。王健[67]研究了在等軸β晶粒與柱狀β晶粒基板上沉積TC4鈦合金，研究發(fā)現(xiàn)在等軸β晶粒基底上沉積TC4鈦合金可以在沉積初期就獲得等軸β晶粒，而在柱狀β晶粒基板上沉積TC4鈦合金則在沉積第六層時出現(xiàn)等軸β晶粒。

(4)輔助工藝

除去上述幾種影響因素，外加輔助工藝也會影響混合制造TC4鈦合金的組織與性能。許明方等[68]研究了超聲沖擊技術(shù)與電弧增材制造相結(jié)合的混合制造技術(shù)。如圖8所示，研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過超聲沖擊的輔助，在結(jié)合區(qū)的粗大的β柱狀晶尺寸明顯減小，使晶粒細化并有更多的等軸晶生成。并且當超聲功率為600W時的效果最好，其抗拉強度和伸長率均有一定提升。目前，關(guān)于電弧混合制造技術(shù)影響因素的研究仍處于初級階段，有關(guān)基板的表面情況及預處理對整體構(gòu)件影響的研究相對較少，這也將是后期的一個具有重要意義的研究方向。

4、在線軋制增材混合制造技術(shù)

由于增材制造過程中會形成不均勻的溫度場，從而導致TC4鈦合金形成了粗大的柱狀晶，這些晶粒的尺寸甚至會達到毫米級，嚴重影響了構(gòu)件的整體性能，因此提出了軋制增材混合制造技術(shù)。在線軋制混合制造技術(shù)是一種增材沉積和軋制交替進行的技術(shù)，其示意圖如圖9所示[69]。在線軋制的優(yōu)點在于實現(xiàn)晶粒細化的同時降低了殘余應力和變形，可以極大地改善構(gòu)件力學性能上的各向異性。相比于傳統(tǒng)的軋制技術(shù)將鑄造、軋制分離為兩個部分，在線軋制增材混合技術(shù)將增材與軋制工藝結(jié)合為簡化為一個步驟，不僅可以提升成形效率，還可以通過層間的軋制更好地控制整體構(gòu)件的質(zhì)量。

Martina等[70-71]研究了電弧增材制造TC4鈦合金經(jīng)過在線層間軋制前后的組織與性能變化。如圖10所示，作者研究了不同軋制壓力對構(gòu)件組織與性能的影響，結(jié)果表明經(jīng)過75kN壓力軋制后，平均晶粒尺寸明顯下降。各方向的抗拉強度均提升至1080MPa左右。Anthony等[72]研究發(fā)現(xiàn)軋輥的尺寸是影響晶粒細化的一個重要因素，較大的軋輥半徑可以增加再結(jié)晶的范圍，使更多的等軸晶生成。結(jié)果表明，半徑為3mm的圓角凸軋輥軋制的晶粒最為細小，如圖11所示。

Gao等[73]研究了電弧增材制造技術(shù)與在線熱軋復合工藝制備TC4-DT鈦合金的疲勞性能，研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過軋制的構(gòu)件中的β晶粒平均尺寸下降了60%左右，α片層的尺寸下降了38%左右。并且在拉伸試樣的斷口處發(fā)現(xiàn)了多個二次裂紋，改善了鈦合金的疲勞性能，如圖12所示。

5、結(jié)語

目前，混合制造TC4鈦合金受到了一定關(guān)注，作為一種新興的工藝技術(shù)，其不僅彌補了傳統(tǒng)工藝的不足，也解決了增材制造面臨的低效率、高成本以及各類內(nèi)部缺陷問題，可以有效拓展TC4鈦合金構(gòu)件的制造能力。目前混合制造TC4鈦合金的研究仍處于起步階段，相關(guān)研究較少，混合制造TC4鈦合金組織的非均勻性和其力學性能上的各向異性仍是亟待解決的問題。后期的研究重點仍在于如何獲得細小的等軸晶粒，改善組織非均勻性，消除成形件力學性能的各向異性。

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