1、引言

將激光增材制造技術(shù)用于鈦合金的成形，能夠降低復(fù)雜結(jié)構(gòu)鈦合金的加工成本，具有重要的工程價(jià)值[1-3]，鈦合金激光增材制造也被業(yè)內(nèi)認(rèn)為是增材制造領(lǐng)域最具挑戰(zhàn)性的前沿發(fā)展方向之一，并且存在不同方面的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)[4-8]。鈦合金激光增材制造可分為激光粉末選區(qū)成形和激光同步材料送進(jìn)成形兩大類，按照成形機(jī)理又可細(xì)分為鈦合金選區(qū)激光熔化、鈦合金激光送粉沉積和鈦合金激光送絲沉積三種技術(shù)。基于合金粉末的前兩種增材制造技術(shù)成形精度高，適合加工形狀復(fù)雜的小型構(gòu)件，但材料利用率低，而且粉末對環(huán)境有一定污染，同時(shí)存在操作環(huán)境要求較高等諸多問題[9,10]。相較而言，基于合金絲材的激光送絲沉積（Wire-feedingLaserMetalDeposition,WLMD）增材制造技術(shù)的材料利用率很高且污染較少，更加經(jīng)濟(jì)實(shí)用，從而適合大尺寸構(gòu)件的高效加工[11]。尤其是對于未來爭相布局的太空金屬增材制造而言，激光送絲設(shè)備結(jié)構(gòu)相對簡單，絲材更易存儲運(yùn)輸，并且激光送絲能夠克服太空微重力環(huán)境的影響[12,13]。因此，推動(dòng)WLMD技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展具有重要應(yīng)用價(jià)值和前瞻意義。

選區(qū)激光熔化和激光送粉沉積發(fā)展較早，相關(guān)研究報(bào)道較多，屬于較為成熟的鈦合金增材制造技術(shù)[14,15]。激光送絲沉積則屬于正在發(fā)展的增材技術(shù)，其工程化應(yīng)用還需工藝的持續(xù)優(yōu)化和完善，故具有較大的研究空間。目前，鈦合金WLMD的研究主要集中在基礎(chǔ)成形工藝方面，其技術(shù)工藝還存在許多不足，缺少對于組織性能的評價(jià)，并且缺乏較為系統(tǒng)的概括性進(jìn)展總結(jié)。因此，本文綜述現(xiàn)階段鈦合金WLMD技術(shù)的基本原理和工藝分類，討論WLMD關(guān)鍵工藝參數(shù)、所成形鈦合金的組織性能以及調(diào)控方法的研究進(jìn)展，并展望WLMD增材制造技術(shù)未來研究目標(biāo)與發(fā)展趨勢，以便為該技術(shù)后續(xù)研究提供參考，促進(jìn)其在更多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

2、激光送絲沉積技術(shù)成形原理

WLMD以金屬絲材為原材料，采用激光為熱源熔化絲材并按規(guī)劃路徑進(jìn)行生產(chǎn)加工，耗時(shí)短且靈活性好。圖1(a)是典型WLMD成形裝置示意圖，成形裝置主要包括激光系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、沉積平臺、保護(hù)氣系統(tǒng)、送絲機(jī)構(gòu)以及機(jī)械臂幾大部分。開始打印時(shí)，在控制系統(tǒng)命令下，保護(hù)氣系統(tǒng)先行啟動(dòng)，為沉積過程提供真空氣氛。在送絲系統(tǒng)啟動(dòng)的同時(shí)，激光系統(tǒng)發(fā)射激光將送絲嘴中出來的金屬絲熔化，金屬絲材持續(xù)送入熔池中，實(shí)現(xiàn)熔化-凝固的過程，同時(shí)機(jī)械臂按照預(yù)先設(shè)定的路徑移動(dòng)，在金屬基板上形成沉積層。如此不斷循環(huán)，最終實(shí)現(xiàn)三維立體零件的制造[16-18]按照送絲方式的不同，WLMD技術(shù)可以分為旁軸送絲和同軸送絲兩種[19-21]。WLMD旁軸送絲，即金屬絲從激光束外通過送絲機(jī)構(gòu)輸送到激光束的焦點(diǎn)上進(jìn)行熔化，其平臺搭建相對容易。然而，由于熔覆過程受到送絲方向性的限制，會影響沉積過程中沉積頭的運(yùn)動(dòng)的自由度，同時(shí)沉積過程具有明顯的方向性，所成形的沉積層尺寸和性能一致性較差，并且對光絲的相對位置的耦合性要求較高，如圖1(b)所示[20]。WLMD同軸送絲的絲材由激光中心送入，雖然可以有效避免送絲方向性問題，但其重點(diǎn)主要在于激光焊槍的設(shè)計(jì)和制造難度大，這是因?yàn)楹笜屔霞�成了光路、氣路、送絲和冷卻等多種功能，如圖1(c)所示[21]，目前該技術(shù)正處于實(shí)驗(yàn)室到市場化的拓展階段，因而屬于較新型的增材制造技術(shù)。

3、激光送絲沉積技術(shù)及調(diào)控

3.1旁軸送絲技術(shù)

激光送絲增材制造技術(shù)基于激光填絲焊接技術(shù)發(fā)展而來，因此，旁軸送絲技術(shù)一直是WLMD領(lǐng)域的主要研究方向[22]。WLMD旁軸送絲工藝涉及許多參數(shù)的變化，這些工藝參數(shù)的改變會對沉積過程有一定的影響。Mok等[23,24]較早采用半導(dǎo)體激光器送絲制備了TC4鈦合金，發(fā)現(xiàn)絲材進(jìn)入熔池的方向和角度等都會影響沉積層的表面光潔度、沉積精度及顯微組織，沉積過程的掃描速度、激光功率和送絲速度也會對沉積層組織產(chǎn)生影響，并導(dǎo)致成形件的力學(xué)性能發(fā)生變化。

送絲方向?qū)�WLMD旁軸送絲成形效果影響顯著，相對于沉積方向會產(chǎn)生前送絲、側(cè)送絲和后送絲三種方向，原理如圖2(a)、(b)和(c)所示[25]。前送絲方式是絲材從熔池前方送入熔池進(jìn)行熔化，熔化后的金屬液進(jìn)入后方的熔池，后送絲方式與之相反，側(cè)送絲方向則介于前送絲與后送絲之間。Kim等[26]認(rèn)為前送絲方式下，即使送絲速度和位置公差很大，絲材也能完全熔化。同樣地，Syed等[27]的研究也表明前送絲比后送絲對送絲速度和位置具有更好的適應(yīng)性，在前送絲時(shí)絲材被熔池散發(fā)的熱量熔化，對熔池的擾動(dòng)較小并且絲材反射激光較少，因而熔池表面光潔度較好，沉積層內(nèi)部致密且缺陷較少，而后送絲方式則帶來較多的缺陷。此外，Yang等[28]分析認(rèn)為在前送絲時(shí)絲材不會阻擋激光作用在基板上，基板可以獲得最大的熱輸入，并且熔滴在較高溫度基板上的潤濕度也能提高，從而獲得良好的表面質(zhì)量。

Sun等[29]和Shen等[30]的研究也發(fā)現(xiàn)當(dāng)送絲位置在熔池的前方時(shí)成形質(zhì)量較高。與此同時(shí)，絲材對激光的阻擋會使得熔池受熱不均勻，所以當(dāng)絲材接觸點(diǎn)位于熔池前端時(shí)能夠獲得較好的沉積效果，如圖2(d)所示[28]。

不同的送絲角度和位置也會產(chǎn)生不同的影響。Moures等[25]和Mok等[24]研究結(jié)果表明，將工藝定為前送絲和45°角度時(shí)，能夠得到最高的沉積速率，并且試樣表面光滑質(zhì)量較好。

Mortello等[31]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)絲材高于熔池時(shí)，熔化的金屬液滴落入熔池時(shí)會使沉積層表面出現(xiàn)波紋，從而降低沉積層表面質(zhì)量；但是當(dāng)絲材與熔池相接觸時(shí)，由于金屬熔液傳遞模式由重力驅(qū)動(dòng)變?yōu)楸砻鎻埩︱?qū)動(dòng)，沉積工藝效果也更加穩(wěn)定。

盡管現(xiàn)在國內(nèi)外的研究主要集中在旁軸送絲方案上，但是仍然存在幾點(diǎn)明顯的不足之處，比如金屬絲材和激光束的位置要求高并且耦合性差，復(fù)雜零件成形時(shí)沉積頭的自由度會受到限制，以及會產(chǎn)生送絲方向性等問題。旁軸送絲方案想要保持前送絲沉積就需要送絲噴嘴圍繞熔覆頭快速旋轉(zhuǎn)調(diào)整方向，或者通過旋轉(zhuǎn)基體達(dá)到保持前送絲的效果。實(shí)際上，要解決旁軸送絲方向問題，就會增加機(jī)械設(shè)計(jì)與控制的難度，而且調(diào)整方向需要更多的時(shí)間，也會帶來移動(dòng)軌跡拐角處材料過渡堆積等問題[32]。

3.2同軸送絲技術(shù)

WLMD同軸送絲技術(shù)不存在送絲方向的問題，在拐角等方向急劇變化的特殊位置，僅需簡單地通過X和Y軸的加速和減速就能實(shí)現(xiàn)過渡，并且不會使得材料過渡堆積，可以極 大地簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)與電氣控制。目前主流的激光同軸送絲技術(shù)可以根據(jù)分光的原理分為三種[33]，即分三光束光內(nèi)同軸技術(shù)、多光束集成光內(nèi)同軸技術(shù)和分環(huán)形光束光內(nèi)同軸技術(shù)，其原理和熱源分布如圖3所示。德國FraunhoferILT研究所先后利用分三光束和分環(huán)形光束光內(nèi)同軸技術(shù)制造了WLMD沉積設(shè)備，并聯(lián)合Precitec公司推出了商用版分環(huán)形WLMD同軸送絲沉積設(shè)備；而在國內(nèi)，蘇州大學(xué)利用分三光束光內(nèi)同軸技術(shù)原理、重慶綠色智能技術(shù)研究所團(tuán)隊(duì)利用多光束集成光內(nèi)同軸技術(shù)原理分別研發(fā)了用于實(shí)驗(yàn)室研究的WLMD同軸送絲沉積設(shè)備[16,34,35]。

由于同軸送絲工藝的特殊性，同軸送絲技術(shù)的離焦量工藝窗口較窄[36]。Ji等[37]發(fā)現(xiàn)當(dāng)離焦量在-1.5~-2.5mm的范圍內(nèi)時(shí)才能形成光滑連續(xù)的熔道。當(dāng)離焦量過大時(shí)，環(huán)形激光光斑孔徑過大，不足以充分熔化絲材，會形成鋸齒狀熔道；而當(dāng)離焦量過小時(shí)，環(huán)形激光光斑孔徑過小，激光能量集中到絲材上，會使得絲材迅速熔化成熔滴并持續(xù)長大，最終形成不連續(xù)的滴狀熔道。為了更好地分析熔道形狀與送絲工藝參數(shù)的關(guān)系，引入了寬高比和稀釋率這兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)來評價(jià)熔道質(zhì)量[38]。通常，掃描速度增大，熔道的寬度減小，而熔道的高度明顯下降，使得寬高比增大；激光功率增大，激光光斑的能量密度也增大，熔道的寬度和深度也隨之增大，使得熔道的稀釋率增大[34]。相對來說，送絲速度對熔道的高度影響更顯著，送絲速度的增加能夠提高金屬絲材的供給量，使得熔高顯著增加[16]。為了更好地理解激光功率的影響，圖4提出了一種預(yù)測同軸送絲工藝激光功率密度的模型[39]，可模擬打印過程中任何表面上任意數(shù)量的光束和功率密度，并且能預(yù)測各種工藝參數(shù)下激光光斑的形狀和大小，從而有助于優(yōu)化打印軌跡和制造策略。

針對鈦合金的WLMD同軸送絲打印，德國的FraunhoferILT研究所、勃蘭登堡工業(yè)大學(xué)和西班牙工業(yè)研究中心等先后對TC4合金進(jìn)行了探索[40-42]，成功實(shí)現(xiàn)了鈦合金典型結(jié)構(gòu)的增材制造。Kelbassa等[40]利用連續(xù)環(huán)形激光束開展同軸送絲WLMD試驗(yàn)，將惰性氣體通過同軸方式輸送，避免熔池暴露在空氣中發(fā)生氧化，如圖5所示。這種設(shè)計(jì)同時(shí)能夠減少沉積頭的集成質(zhì)量，使得沉積頭具有高動(dòng)態(tài)的特征，加上纖細(xì)的Ti-6Al-4V絲材原料，可以近凈成形復(fù)雜的幾何形狀。中國船舶七二五所和上海產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院分別利用Precitec分環(huán)形激光同軸送絲沉積設(shè)備對鈦合金零部件增材制造工藝進(jìn)行探索[43]，其中對直徑1.0~1.6mm鈦合金絲材研究表明，當(dāng)激光器功率為3000W，熔敷效率可達(dá)5~30g/min。而Du等[44]研究了真空條件對WLMD同軸送絲制造Ti-6Al-4V薄壁件的作用，發(fā)現(xiàn)沉積過程中的高度增量應(yīng)在適當(dāng)范圍內(nèi)，并與層高相匹配；當(dāng)層間冷卻時(shí)間為1s時(shí)，熱積累量較大，在高激光功率、層間冷卻時(shí)間大于5s的條件下，薄壁件層寬更容易保持一致性。

盡管同軸送絲方案具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是當(dāng)前對于WLMD同軸送絲技術(shù)的研究總體仍然較少，其難點(diǎn)主要在于光路的轉(zhuǎn)換難度較高，比如，將實(shí)心光束轉(zhuǎn)換為分環(huán)形光束，同時(shí)金屬絲要避開環(huán)形光束并從中心送進(jìn)，完成這一過程需要考慮不同光路、匯聚角度、光斑內(nèi)外徑等對絲材的影響。此外，采用該方案時(shí)激光功率與送絲速度的匹配要求會更高，否則容易出現(xiàn)絲材與熔池底部相撞使得絲材彎曲，使熔池不穩(wěn)定，從而影響成形質(zhì)量。

4、激光送絲沉積鈦合金組織、性能及調(diào)控

4.1激光送絲沉積鈦合金的組織特征

盡管WLMD在成形工藝方面具有特殊優(yōu)勢，但沉積的試樣普遍存在氣孔、未熔合、應(yīng)力和組織性能不均勻等問題[45]。因此，成形樣品的組織演變機(jī)理和性能調(diào)控方法仍然是WLMD技術(shù)近年來的研究重點(diǎn)。由于激光熔化沉積時(shí)熔池內(nèi)部熱質(zhì)傳輸過程較為復(fù)雜，因此對沉積過程中鈦合金顯微組織的演變行為開展研究，將有利于建立WLMD鈦合金的組織和性能映射關(guān)系。

研究者們[46-48]發(fā)現(xiàn)WLMD成形樣品的組織形貌具有很大的相似性，其沉積層通常為柱狀晶，頂部為等軸晶。沉積過程類似于鑄造當(dāng)中的定向凝固，熔池底部由于較大的溫度梯度的作用，會在前一層的基礎(chǔ)上發(fā)生外延生長，從而形成穿過兩個(gè)或者多個(gè)沉積層的柱狀晶，而在熔池頂部會形成等軸晶，這是由于頂部與空氣接觸從而能較快冷卻。相似地，鈦合金的增材制造組織中常見問題是，沿著試樣沉積的方向，會生成粗大的初生β柱狀晶粒，對于WLMD鈦合金而言，β柱狀晶粒長度能達(dá)到幾百微米或幾個(gè)毫米[49]。此外，晶界的兩側(cè)存在密集排列的針片狀α相，一般是由晶界處形核并向晶內(nèi)生長而成，由于晶界α相在橫向載荷作用下會使得材料過早斷裂，從而顯著地影響成形件的塑性變形行為[50]。也就是說，鈦合金熔池內(nèi)部存在的明顯溫度梯度，使得初生β柱狀晶粒沿溫度梯度方向的定向生長通常會形成較強(qiáng)的<001>織構(gòu)，并產(chǎn)生α轉(zhuǎn)變織構(gòu)，從而對疲勞性能產(chǎn)生不利影響，同時(shí)使得力學(xué)性能出現(xiàn)各向異性[51]。

對于工業(yè)上應(yīng)用最多的(α+β)型鈦合金，其組織演變過程一般如下[52]：沉積層凝固時(shí)，內(nèi)部首先發(fā)生液相→β相的相變。隨著溫度持續(xù)降低，β相穩(wěn)定元素?cái)U(kuò)散系數(shù)較大而使得原始β晶粒不斷長大，并將晶內(nèi)的α相穩(wěn)定元素持續(xù)排到晶界處。一旦溫度降低至α+β兩相區(qū)時(shí)，將發(fā)生β→α轉(zhuǎn)變。由于β晶界處富集了α相穩(wěn)定元素，導(dǎo)致α相在β相晶界上形核，并沿晶界形成連續(xù)的α相層，即晶界α相。當(dāng)冷卻速率較慢時(shí)，晶界α相會逐漸在β晶粒內(nèi)部形成平行的片狀α相，并與其它的片狀α相交織從而停止進(jìn)一步生長。如圖6所示為(α+β)鈦合金冷卻時(shí)的相變化曲線以及WLMD鈦合金典型組織形貌，合金在冷卻速度較高時(shí)內(nèi)部基本為馬氏體結(jié)構(gòu)，但隨著冷卻速度降低到410℃/s以下時(shí)，魏氏體會逐漸代替馬氏體結(jié)構(gòu)[46,53,54]。

簡言之，WLMD試樣內(nèi)部通常由粗大的β柱狀晶、晶界α相、晶內(nèi)片層狀α集束以及少量馬氏體相組成。考慮到魏氏組織和馬氏體力學(xué)性能較差，WLMD鈦合金理想的組織為較小尺寸的初生β晶粒，以及盡可能多的α集束和網(wǎng)籃組織[55]。然而，不同的復(fù)合工藝和環(huán)境會對WLMD組織產(chǎn)生影響。Guo等[56]將電弧和激光增材制造進(jìn)行復(fù)合時(shí)，所成形的TC11鈦合金在沉積狀態(tài)下微觀組織主要是由層狀α團(tuán)簇組成的魏氏組織。固溶時(shí)效處理后，組織轉(zhuǎn)變?yōu)闂l形α、β相和細(xì)針狀馬氏體相組成的網(wǎng)籃形態(tài)，水淬后形成大量的αs次生相和α′馬氏體相，與此同時(shí)，α相和β相的尺寸會由于空冷而變粗大。而Guo等[57]采用如圖7所示的水下WLMD技術(shù)，通過增加保護(hù)氣體流量到80L/min，同時(shí)熱輸入從1.75kJ/cm提高到2.5kJ/cm，獲得了均勻無氧化的水下熔覆層；隨著熱輸入量的增加，α板條的晶粒尺寸和厚度增加，α′的含量減少，氧化現(xiàn)象也有所改善，但柱狀β晶粒和球形β晶粒尺寸均增大。不同熱輸入層的顯微組織由不同尺寸的片層α相和針狀α′相組成。此外，冷卻速率的降低抑制了針狀馬氏體的單向生長，使馬氏體的排列接近無序狀態(tài)，熔覆層的變形更加均勻，有效地防止了裂紋的擴(kuò)展。

4.2激光送絲沉積鈦合金的性能及調(diào)控

由于WLMD鈦合金內(nèi)部組織分布不均而使各個(gè)位置力學(xué)性能出現(xiàn)差異。通常試樣硬度受沉積工藝參數(shù)的影響較小，而拉伸性能則在垂直和平行基板的方向上表現(xiàn)出較大差別，主要在于垂直方向的延伸率優(yōu)于平行方向。這是因?yàn)槠叫蟹较蛴兄�更多�?beta;柱狀晶界，晶界處的α相在載荷作用下會提前失效。沉積工藝參數(shù)會對熔池?zé)彷斎氘a(chǎn)生重要影響，進(jìn)而形成不同的組織形貌，并對沉積試樣的性能產(chǎn)生關(guān)鍵作用。因此，利用沉積過程中以及沉積完成后的各種工藝手段對組織進(jìn)行優(yōu)化，有助于獲得較好性能的合金，對此已有大量組織性能調(diào)控相關(guān)的研究[58]。表1為不同成形技術(shù)所制備鈦合金力學(xué)性能的對比，可見，送絲增材制造鈦合金構(gòu)件的力學(xué)性能受控于工藝，因而高性能構(gòu)件的增材制造需要建立材料-工藝-組織-性能的一體化設(shè)計(jì)、制造與調(diào)控理論及方法。

激光增材制造成形過程中繁雜的熱循環(huán)以及殘余應(yīng)力分布，會在沉積層中產(chǎn)生較為嚴(yán)重的變形甚至開裂，從而對性能產(chǎn)生關(guān)鍵的影響，而數(shù)值模擬是解決該類問題的有力工具。任朝暉等[63]對鈦合金WLMD過程中的溫度場和應(yīng)力場開展了模擬研究，采用ABAQUS軟件建立完全熱力耦合的有限元模型，研究了Ti-6Al-4V單道多層沉積件的熱循環(huán)特性和應(yīng)力分布，如圖8所示，發(fā)現(xiàn)隨著沉積層數(shù)的增加，熱累積效應(yīng)逐漸變強(qiáng)，且冷卻速率下降；薄壁沉積件整體的殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力狀態(tài)，x方向明顯大于另外兩個(gè)方向，然而垂直于掃描方向較易產(chǎn)生裂紋等缺陷；同時(shí)，中部殘余應(yīng)力相對穩(wěn)定，最大殘余應(yīng)力集中在沉積層兩端與基板交界處。

為了進(jìn)一步調(diào)控組織性能，Ye等[64]利用超聲微鍛造對WLMD鈦合金進(jìn)行研究，結(jié)果表明，振幅和鍛造力會使得Ti-6Al-4V試樣中出現(xiàn)大量等軸β晶粒，其形態(tài)也可以通過工藝參數(shù)進(jìn)行控制，如圖9所示，隨著振幅的增大，等軸β晶粒平均尺寸減小；隨著鍛造力的增加，沉積層與基板界面處的缺陷數(shù)量增加，但顯微硬度也隨之增大。Yang等[65]研究了超聲沖擊前后成形樣品的變化，發(fā)現(xiàn)超聲沖擊后的樣品殘余應(yīng)力遠(yuǎn)低于沉積態(tài)樣品，同時(shí)提高了拉伸強(qiáng)度，但伸長率有所降低。Donoghue等[66]將軋制與沉積進(jìn)行工藝復(fù)合，發(fā)現(xiàn)每一層沉積后只需較低的變形量就能顯著地減小晶粒尺寸，并且β和α相織構(gòu)也大幅降低到接近隨機(jī)分布，同時(shí)這些破碎晶粒可以在后一層沉積過程中再次加熱時(shí)作為再結(jié)晶晶核。Sabban等[67]通過在接近但低于β轉(zhuǎn)變溫度的條件下循環(huán)熱處理TC4鈦合金，使得針片狀α相逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙�，球形化雙相組織將沉積試樣的延展性提高了80%，韌性提高了66%。除此之外，還有固溶時(shí)效熱處理[68,69]、電脈沖熱處理[70]和等通道角擠壓[71]等方式來改善合金組織，從而對力學(xué)性能進(jìn)行調(diào)控。

越來越多致力于鈦合金WLMD增材制造技術(shù)工程化應(yīng)用的基礎(chǔ)研究正在持續(xù)開展。筆者研究團(tuán)隊(duì)同樣注重發(fā)展WLMD基礎(chǔ)工藝和成形鈦合金組織性能優(yōu)化方法，并且基于新一代航空航天大型關(guān)鍵承力構(gòu)件的一體化、輕量化和高可靠等設(shè)計(jì)使用要求，正在進(jìn)行高效高精度激光增材制造技術(shù)的創(chuàng)新開發(fā)，其中的關(guān)鍵科學(xué)問題和技術(shù)問題均涉及結(jié)構(gòu)、材料、工藝、裝備等多因素的耦合、匹配及調(diào)控。

5、結(jié)論

相較于傳統(tǒng)鈦合金加工工藝，鈦合金WLMD具有節(jié)約原材料、降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率以及實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)成形等優(yōu)勢，是鈦合金現(xiàn)代制造技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向，并具有廣闊的研究價(jià)值和應(yīng)用前景。但是，在沉積過程中還有復(fù)合成形工藝、成形件精度、表面質(zhì)量、組織控制、應(yīng)力控制和復(fù)雜路徑規(guī)劃等許多問題亟待解決，而正是這些因素的協(xié)同優(yōu)化決定了WLMD鈦合金成形件是否滿足工程應(yīng)用的需求。WLMD技術(shù)未來應(yīng)當(dāng)著重面向航空航天大型復(fù)雜構(gòu)件制造、太空金屬增材制造、艦載增材制造、水下激光修復(fù)等領(lǐng)域發(fā)揮其獨(dú)特優(yōu)勢。鈦合金WLMD具有豐富的科學(xué)內(nèi)涵，總結(jié)發(fā)展現(xiàn)狀并思考其未來研究趨勢，主要結(jié)論和需進(jìn)一步關(guān)注的方向如下：

（1）WLMD高效率和高精度復(fù)合增材制造。旁軸送絲WLMD受限于方向耦合問題，而發(fā)展同軸送絲WLMD工藝需要重點(diǎn)克服加工裝備集成設(shè)計(jì)的難題。此外，當(dāng)前仍以單一激光成形鈦合金為主，但是受限于激光功率和成形質(zhì)量的匹配性問題，WLMD成形效率仍有較大提升空間。為此，需研究增材制造過程中多波長激光集成、絲材-粉末多材料復(fù)合、多能場-多工藝的匹配協(xié)調(diào)機(jī)制，建立構(gòu)件成形質(zhì)量主動(dòng)控制數(shù)學(xué)模型及控制策略，實(shí)現(xiàn)高功率激光送絲沉積、激光熔池動(dòng)態(tài)整形以及激光送粉熔覆多工藝協(xié)同高效高精度分區(qū)制造。其中，為消除送絲方向性問題，可進(jìn)一步開展新型同軸送絲技術(shù)的開發(fā)，提高裝備和工藝穩(wěn)定性。

（2）WLMD過程組織缺陷識別、反饋與自調(diào)節(jié)。成形工藝對組織宏微觀形貌和應(yīng)力分布影響顯著，為滿足工藝不斷優(yōu)化發(fā)展的需求，有必要對成形過程中的未熔合、裂紋和氣孔等缺陷進(jìn)行監(jiān)測。為此，需構(gòu)建一種高精度在線實(shí)時(shí)監(jiān)測與反饋優(yōu)化智能感知系統(tǒng)，通過在線精準(zhǔn)監(jiān)測裝置對多束高功率激光增材制造凝固成型的沉積層質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并結(jié)合高準(zhǔn)確度離線檢測技術(shù)對比糾正，通過工藝調(diào)整、熔池整形、軌跡優(yōu)化及局部重熔等方法在線完成缺陷的主動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)缺陷在線精準(zhǔn)識別-實(shí)時(shí)診斷與反饋-缺陷主動(dòng)抑制的閉環(huán)自調(diào)節(jié)。

（3）WLMD晶粒細(xì)化技術(shù)與相結(jié)構(gòu)調(diào)控。WLMD沉積組織往往由粗大的β柱狀晶、晶界α相、晶內(nèi)片層狀α集束以及少量馬氏體相組成，為了獲得較佳的性能參數(shù)，需要建并完善材料-工藝-組織-性能的一體化設(shè)計(jì)、制造與調(diào)控理論及方法。為解決WLMD鈦合金組織的不均勻性，提高成形件綜合力學(xué)性能，可以從材料成分元素設(shè)計(jì)與控制，以及沉積工藝參數(shù)優(yōu)化與調(diào)控等方面入手；為解決(α+β)型鈦合金內(nèi)部由于增材制造快速冷卻導(dǎo)致的亞穩(wěn)態(tài)馬氏體含量過多，可采用合適的后處理方式，包括引入顆粒、超聲沖擊和多重?zé)崽幚淼确椒ǎ�使馬氏體轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的α相，獲得更多網(wǎng)籃組織，提高合金的力學(xué)性能并改善各向異性。

參考文獻(xiàn)

[1] 林鑫, 黃衛(wèi)東. 應(yīng)用于航空領(lǐng)域的金屬高性能增材制造技術(shù)[J]. 中國材料進(jìn)展, 2015,34(9): 684-688.

Lin X, Huang W D. High performance metal additive manufacturing technology applied in aviation field[J]. Materials China, 2015, 34(9): 684-688.

[2] 湯海波, 吳宇, 張述泉, 等. 高性能大型金屬構(gòu)件激光增材制造技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 精密成形工程, 2019, 11(4): 58-63.

Tang H B, Wu Y, Zhang S Q, et al. Research status and development trendof high performance large metallic components by laser additive manufacturing technique[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2019, 11(4): 58-63.

[3] 顧冬冬, 張紅梅, 陳洪宇, 等. 航空航天高性能金屬材料構(gòu)件激光增材制造[J]. 中國激光, 2020, 47(5): 0500002.

Gu D D, Zhang H M, Chen H Y, et al. Laser additive manufacturing of high-performance metallic aerospace components[J]. Chinese Journal of Lasers, 2020, 47(5): 0500002.

[4] Su J, Jiang F, Teng J, et al. Recent innovations in laser additive manufacturing of titanium alloys[J]. International Journal of Extreme Manufacturing, 2024, 6(3): 032001.

[5] 楊永強(qiáng), 吳世彪, 張?jiān)? 等. 光纖激光器在金屬增材制造中的應(yīng)用進(jìn)展及展望[J]. 中國激光, 2020, 47(5): 0500012.

Yang Y Q, Wu S B, Zhang Y, et al. Application progress and prospect of fiber laser in metal additive manufacturing[J]. Chinese Journal of Lasers, 2020, 47(5): 0500012.

[6] 果春煥, 嚴(yán)家印, 王澤昌, 等. 金屬激光熔絲增材制造工藝的研究進(jìn)展[J]. 熱加工工藝,2020, 49(16): 5-10.

Guo C H, Yan J Y, Wang Z C, et al. Research progress on metal laser fuse additive manufacturing process[J]. Hot Working Technology, 2020, 49(16): 5-10.

[7] 高海瑞, 李繼康, 張振武, 等. 多場調(diào)控金屬激光增材制造研究現(xiàn)狀與展望[J]. 中國激光, 2024, 51(10): 1002306.

Gao H R, Li J K, Zhang Z W, et al. Research status and prospect of multi-field modulated metal laser additive manufacturing[J]. Chinese Journal of Lasers, 51(10): 1002306.

[8] 宋波, 張金良, 章媛潔, 等. 金屬激光增材制造材料設(shè)計(jì)研究進(jìn)展[J]. 金屬學(xué)報(bào), 2023,59(1): 1-15.

Song B, Zhang J L, Zhang Y J, et al. Research progress of materials design for metal laser additive manufacturing[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2023, 59(1): 1-15.

[9] Moeinfar K, Khodabakhshi F, Kashani-Bozorg S F, et al. A review on metallurgical aspects of laser additive manufacturing (LAM): Stainless steels, nickel superalloys, and titanium alloys[J].Journal of Materials Research and Technology, 2022, 16: 1029-1068.

[10] 周慶軍, 嚴(yán)振宇, 張京京, 等. 航天運(yùn)載器大型金屬構(gòu)件激光定向能量沉積研究及應(yīng)用進(jìn)展[J]. 中國激光, 2024, 51(10): 1002303.

Zhou Q J, Yan Z Y, Zhang J J, et al. Research and application progress of laser directed energy deposition on large-scale metal components in aerospace[J]. Chinese Journal of Lasers, 2024,51(10): 1002303.

[11] 馮啟高, 王琳鑫, 王磊, 等. 復(fù)合熱源鈦合金熔絲高質(zhì)量增材制造工藝研究[J]. 中國激光, 2023, 50(8): 0802306.

Feng Q G, Wang L X, Wang L, et al. Research on high-quality additive manufacturing process of titanium alloy fuse with composite heat source[J]. Chinese Journal of Lasers, 2023, 50(8):0802306.

[12] Sacco E, Moon S K. Additive manufacturing for space: status and promises[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2019, 105(10): 4123-4146.

[13] Ishfaq K, Asad M, Mahmood M A, et al. Opportunities and challenges in additive manufacturing used in space sector: a comprehensive review[J]. Rapid Prototyping Journal,2022, 28(10): 2027-2042.

[14] 房立家, 孫兵兵, 張強(qiáng), 等. 激光選區(qū)熔化成形零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展, 2023, 60(5): 0514010.

Fang L J, Sun B B, Zhang Q, et al. Structural design and analysis of selective laser melting forming parts[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2023, 60(5): 0514010.

[15] 李光明, 朱剛賢, 李加強(qiáng), 等. 激光內(nèi)送粉變姿態(tài)增材制造薄壁墻的試驗(yàn)研究[J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展, 2023, 60(1): 0114008.

Li G M, Zhu G X, Li J Q, et al. Experimental study on thin walls by laser additive manufacturing based inside-beam powder feeding with variable posture[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2023, 60(1): 0114008.

[16] Ding X P, Li H M, Zhu J Q, et al. Application of infrared thermography for laser metal-wire additive manufacturing in vacuum[J]. Infrared Physics & Technology, 2017, 81: 166-169.

[17] Yuan D, Shao S, Guo C, et al. Grain refining of Ti-6Al-4V alloy fabricated by laser and wire additive manufacturing assisted with ultrasonic vibration[J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2021,73: 105472.

[18] Åkerfeldt P, Antti M-L, Pederson R. Influence of microstructure on mechanical properties of laser metal wire-deposited Ti-6Al-4V[J]. Materials Science and Engineering: A, 2016, 674:428-437.

[19] Ding D, Pan Z, Cuiuri D, et al. Wire-feed additive manufacturing of metal components:technologies, developments and future interests[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2015, 81(1): 465-481.

[20] Heralic A. Monitoring and control of robotized laser metal-wire deposition[M]. Sweden:Chalmers Tekniska Hogskola, 2012.

[21] Kuznetsov A, Jeromen A, Govekar E. Droplet detachment regimes in annular laser beam droplet generation from a metal wire[J]. CIRP Annals, 2014, 63(1): 225-228.

[22] Fu J, Gong L, Zhang Y, et al. Microstructure and Mechanical Properties of Ti-6Al-4V Fabricated by Vertical Wire Feeding with Axisymmetric Multi-Laser Source[J]. Applied Sciences, 2017, 7(3): 227.

[23] Mok S H, Bi G, Folkes J, et al. Deposition of Ti-6Al-4V using a high power diode laser and wire, Part I: Investigation on the process characteristics[J]. Surface and Coatings Technology,2008, 202(16): 3933-3939.

[24] Mok S H, Bi G, Folkes J, et al. Deposition of Ti-6Al-4V using a high power diode laser and wire, Part II: Investigation on the mechanical properties[J]. Surface and Coatings Technology, 2008, 202(19): 4613-4619.

[25] Moures F, Cicală E, Sallamand P, et al. Optimisation of refractory coatings realised with cored wire addition using a high-power diode laser[J]. Surface and Coatings Technology, 2005,200(7): 2283-2292.

[26] Kim J-D, Peng Y. Plunging method for Nd:YAG laser cladding with wire feeding[J]. Optics and Lasers in Engineering, 2000, 33(4): 299-309.

[27] Syed W U H, Pinkerton A J, Li L. A comparative study of wire feeding and powder feeding in direct diode laser deposition for rapid prototyping[J]. Applied Surface Science, 2005, 247(1):268-276.

[28] Yang G, Ma J, Carlson B E, et al. Decreasing the surface roughness of aluminum alloy welds fabricated by a dual beam laser[J]. Materials & Design, 2017, 127: 287-296.

[29] Sun J, Sekou S. Investigation on the process characteristics of laser cladding fabrication using 45 carbon steel wire[J]. Advanced Materials Research, 2012, 499: 147-151.

[30] Shen F, Tao W, Li L, et al. Effect of microstructure on the corrosion resistance of coatings by extreme high speed laser cladding[J]. Applied Surface Science, 2020, 517: 146085.

[31] Mortello M, Casalino G. Transfer mode effects on Ti6Al4V wall building in wire laser additive manufacturing[J]. Manufacturing Letters, 2021, 28: 17-20.

[32] 王涵, 周偉民, 閔國全, 等. 送絲激光增材制造的研究進(jìn)展[J]. 中國金屬通報(bào), 2018, 12:248-251.

Wang H, Zhou W M, Min G Q, et al. Research progress of wire feed laser additive manufacturing[J]. China Metal Bulletin, 2018, 12: 248-251.

[33] 陳源, 姜夢, 陳曦, 等. 光絲同軸激光增材制造研究進(jìn)展[J]. 材料科學(xué)與工藝, 2022,30(2): 16-27.

Chen Y, Jiang M, Chen X, et al. Research progress of coaxial laser wire additive manufacturing[J]. Materials Science and Technology, 2022, 30(2): 16-27.

[34] 張吉平, 石世宏, 蔣偉偉, 等. 三光束光內(nèi)送絲激光熔覆溫度場仿真分析與工藝優(yōu)化[J].中國激光, 2019, 46(10): 1002004.

Zhang J P, Shi S H, Jiang W W, et al. Simulation analysis of temperature field and process optimization of laser cladding based oninternal wire feeding of three beams[J]. Chinese Journal of Lasers, 2019, 46(10): 1002004.

[35] Ding X, Ma H, Zhang Q, et al. Effect of annealing heat treatment on microstructure and corrosion behavior of Ti6Al4V alloy fabricated by multi-laser beam wire-feed additive manufacturing in vacuum environment[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2022, 914:165363.

[36] Motta M, Demir A G, Previtali B. High-speed imaging and process characterization of coaxial laser metal wire deposition[J]. Additive Manufacturing, 2018, 22: 497-507.

[37] Ji S, Liu F, Shi T, et al. Effects of defocus distance on three-beam laser internal coaxial wire cladding[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2021, 34(04): 67-88.

[38] 戰(zhàn)金明, 梁志剛, 黃進(jìn)鈺, 等. TC4 鈦合金表面單道激光熔覆工藝研究[J]. 應(yīng)用激光,2020, 40(6): 955-961.

Zhan J M, Liang Z G, Huang J Y, et al. Study on the single laser cladding process on TC4 titanium alloy surface[J]. Applied Laser, 2020, 40(6): 955-961.

[39] Roch C, Tournier C, Lavernhe S. Process based modelling of power density for wire laser additive manufacturing using a coaxial head[J]. Additive Manufacturing, 2023, 73: 103648.

[40] Kelbassa J, Gasser A, Bremer J, et al. Equipment and process windows for laser metal deposition with coaxial wire feeding[J]. Journal of Laser Applications, 2019, 31(2): 022320.

[41] Churruca M M, Arrizabalaga J L, Garmendia I, et al. Comparative study of laser metal deposition (LMD) of coaxial wire and powder in the manufacture of Ti-6Al-4V structures[J].Dyna, 2020, 95(1): 376-379.

[42] Silze F, Schnick M, Sizova I, et al. Laser metal deposition of Ti-6Al-4V with a direct diode laser set-up and coaxial material feed[J]. Procedia Manufacturing, 2020, 47: 1154-1158.

[43] 符成學(xué), 雷小偉, 賈曉飛, 等. 鈦合金激光增材制造技術(shù)研究與應(yīng)用進(jìn)展[J]. 焊管, 2023,46(8): 11-18.

Fu C X, Lei X W, Jia X F, et al. Research and application progress of titanium alloy laser additive manufacturing technology[J]. Welded Pipe and Tube, 2023, 46(8): 11-18.

[44] Du F, Zhu J, Ding X, et al. Dimensional characteristics of Ti-6Al-4V thin-walled parts prepared by wire-based multi-laser additive manufacturing in vacuum[J]. Rapid Prototyping Journal,2019, 25(5): 849-856.

[45] Liu S, Shin Y C. Additive manufacturing of Ti6Al4V alloy: A review[J]. Materials & Design,2019, 164: 107552.

[46] Baufeld B, Brandl E, Van Der Biest O. Wire based additive layer manufacturing: Comparison of microstructure and mechanical properties of Ti-6Al-4V components fabricated by laser-beam deposition and shaped metal deposition[J]. Journal of Materials Processing Technology,2011, 211(6): 1146-1158.

[47] Sun W, Shan F, Zong N, et al. Simulation of solidified β grain for Ti–6Al–4V during wire laser additive manufacturing by three-dimensional cellular automaton method[J]. Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering, 2021, 29(6): 065006.

[48] Liu S, Brice C, Zhang X. Interrelated process-geometry-microstructure relationships for wire-feed laser additive manufacturing[J]. Materials Today Communications, 2022, 31: 103794.

[49] Yin J, Peng G, Chen C, et al. Thermal behavior and grain growth orientation during selective laser melting of Ti-6Al-4V alloy[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2018, 260:57-65.

[50] Wilson-Heid A E, Wang Z, Mccornac B, et al. Quantitative relationship between anisotropic strain to failure and grain morphology in additively manufactured Ti-6Al-4V[J]. Materials Science and Engineering: A, 2017, 706: 287-294.

[51] Mantri S A, Banerjee R. Microstructure and micro-texture evolution of additively manufactured β-Ti alloys[J]. Additive Manufacturing, 2018, 23: 86-98.

[52] Liu Z, Welsch G. Literature survey on diffusivities of oxygen, aluminum, and vanadium in alpha titanium, beta titanium, and in rutile[J]. Metallurgical Transactions A, 1988, 19(4): 1121-1125.

[53] Ahmed T, Rack H J. Phase transformations during cooling in α+β titanium alloys[J].Materials Science and Engineering: A, 1998, 243(1): 206-211.

[54] 張大越, 伍新澤, 王一甲, 等. 激光熔絲 Ti6Al4V 合金成形工藝、微觀組織及強(qiáng)韌性研究[J]. 鋼鐵釩鈦, 2024, 45(1): 49-56.

Zhang D Y, Wu X Z, Wang Y J, et al. Forming process, microstructure, strength and toughness of Ti6Al4V alloy by laser wire-feed additive manufacturing[J]. Iron Steel Vanadium Titanium,2024, 45(1): 49-56.

[55] Simonelli M, Tse Y Y, Tuck C. On the texture formation of selective laser melted Ti-6Al-4V[J].Metallurgical and Materials Transactions A, 2014, 45(6): 2863-2872.

[56] Guo J, Liu Y, Zhao Y, et al. Tailoring microstructure and mechanical anisotropy of laser-MIG hybrid additive manufacturing TC11 titanium alloy through solution aging treatment[J].Journal of Materials Science, 2024: 1-18.

[57] Guo N, Wu D, Yu M, et al. Microstructure and properties of Ti-6Al-4V titanium alloy prepared by underwater wire feeding laser deposition[J]. Journal of Manufacturing Processes, 2022, 73:269-278.

[58] Srinivas M, Babu B S. A critical review on recent research methodologies in additive manufacturing[J]. Materials Today: Proceedings, 2017, 4(8): 9049-9059.

[59] Chen Y, Chen X, Jiang M, et al. Coaxial laser metal wire deposition of Ti6Al4V alloy: process,microstructure and mechanical properties[J]. Journal of Materials Research and Technology,2022, 20: 2578-2590.

[60] Xie Y, Gao M, Wang F, et al. Anisotropy of fatigue crack growth in wire arc additive manufactured Ti-6Al-4V[J]. Materials Science and Engineering: A, 2018, 709: 265-269.

[61] Pixner F, Warchomicka F, Peter P, et al. Wire-Based Additive Manufacturing of Ti-6Al-4V Using Electron Beam Technique[J]. Materials, 2020, 13(15): 3310.

[62] Graf B, Marko A, Petrat T, et al. 3D laser metal deposition: process steps for additive manufacturing[J]. Welding in the World, 2018, 62(4): 877-883.

[63] 任朝暉, 劉振, 周世華, 等. 鈦合金激光熔絲增材制造的溫度場與應(yīng)力場模擬[J]. 東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2020, 41(04): 551-556.

Ren Z H, Liu Z, Zhou S H, et al. Temperature field and stress field simulation of titanium alloy laser fuse additive manufacturing[J]. Journal of Northeastern University (Natural Science),2020, 41(04): 551-556.

[64] Ye H, Ye K, Guo B, et al. Effects of combining ultrasonic micro-forging treatment with laser metal wire deposition on microstructural and mechanical properties in Ti-6Al-4V alloy[J].Materials Characterization, 2020, 162: 110187.

[65] Yang Y, Jin X, Liu C, et al. Residual stress, mechanical properties, and grain morphology of Ti-6Al-4V alloy produced by ultrasonic impact treatment assisted wire and arc additive manufacturing[J]. Metals, 2018, 8(11): 934.

[66] Donoghue J, Antonysamy A A, Martina F, et al. The effectiveness of combining rolling deformation with wire–arc additive manufacture on β-grain refinement and texture modification in Ti-6Al-4V[J]. Materials Characterization, 2016, 114: 103-114.

[67] Sabban R, Bahl S, Chatterjee K, et al. Globularization using heat treatment in additively manufactured Ti-6Al-4V for high strength and toughness[J]. Acta Materialia, 2019, 162: 239-254.

[68] Jiang X J, Chen G Y, Men X L, et al. Ultrafine duplex microstructure and excellent mechanical properties of TC4 alloy via a novel thermo-mechanical treatment[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2018, 767: 617-621.

[69] 張穎, 胡生雙, 鄭超, 等. 雙重退火對激光增材制造 TC18 鈦合金組織和性能的影響[J].特種鑄造及有色合金, 2021, 41(8): 1006-1009.

Zhang Y, Hu S S, Zheng C, et al. Effects of double annealing on microstructure and properties of TC18 titanium alloy by laseradditive manufacturing[J]. Special Casting & Nonferrous Alloys, 2021, 41(8): 1006-1009.

[70] 高伶俐, 劉金旭, 李遠(yuǎn), 等. 電脈沖短時(shí)熱處理對等軸組織熱軋 TC4 組織轉(zhuǎn)變和絕熱剪切特性的影響[J]. 稀有金屬材料與工程, 2016, 45(8): 2150-2154.

Gao L L, Liu J X, Li Y, et al. Effect of short time heat treatment with electric pulse on microstructure transformation and adiabatic shear characteristics of hot rolling TC4[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2016, 45(8): 2150-2154.

[71] Zhao Z, Wang G, Zhang Y, et al. Fast recrystallization and phase transformation in ECAP deformed Ti-6Al-4V alloy induced by pulsed electric current[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2019, 786: 733-741.

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