主要作者：Chenbing Ni, Junjie Zhu等

主要单位：School of Mechanical and Automotive Engineering, Qingdao University of Technology

发表期刊：Virtual and Physical Prototyping

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摘 要

该文系统综述了激光粉末床熔融（LPBF）技术制备Ti-6Al-4V合金的最新研究进展，重点探讨了工艺参数对成形质量的影响、微观结构特征、机械性能的各向异性、残余应力分布及其调控机制，以及后续加工性能。研究表明，LPBF工艺的非稳态热历史（如极高冷却速率和温度梯度）导致Ti-6Al-4V合金的微观结构异质性和显著的各向异性机械性能。通过优化工艺参数、扫描策略和后处理技术，可有效调控缺陷形成、微观结构演化和表面完整性，从而提升其综合性能。

研究方法

1.实验研究

通过调整激光功率、扫描速度、层厚、扫描间距等关键工艺参数，分析其对成形质量（如相对密度、表面粗糙度）的影响。

2.数值模拟

结合热力学模型和残余应力模拟，揭示熔池动态行为与热循环对微观结构及残余应力的作用机制。

3.微观表征

采用金相显微镜（OM）、扫描电镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）等技术，解析α'马氏体、柱状β晶粒及其取向分布。

4.机械性能测试

通过拉伸试验、动态压缩试验（SHPB）和显微硬度测试，评估材料各向异性及应变率敏感性。

5.加工性能评估

对比分析LPBF与常规锻造Ti-6Al-4V在切削力、表面粗糙度、刀具磨损等方面的差异，结合微润滑（MQL）和超声振动辅助加工（UVAM）技术优化加工效果。

研究结果

1.工艺参数对成形质量的影响

激光功率：低功率（）导致粉末未完全熔化，表面粗糙度（Ra）升高；高功率（>250W）引发熔池飞溅和孔隙。

扫描速度：扫描速度增加（250→1750mm/s）会降低熔池稳定性，孔隙率呈“先降后升”趋势。

Figure 6.Effect of scanning speed on the properties of LPBF Ti–6Al–4V alloys: (a) and (b) the surface roughness under different laser power[48, 50], (c) the variation of porosity[59], (d) surface features and defects and (e) variation of the microstructure[50].

扫描间距：扫描间距过小（）导致重熔区域密度下降；过大（>130μm）引发未熔合缺陷。

层厚：层厚增加（20→100μm）显著提高孔隙面积分数（Af从0.09%升至10.68%）

扫描策略：单向扫描（0°）导致显著各向异性，67.5°旋转扫描可降低残余应力（降幅达50%）并提升均匀性。

2.微观结构与缺陷特征

典型缺陷：未熔合、孔隙（面积分数0.077–10.68%）、球化效应和微裂纹是LPBF成形的主要缺陷，其中孔隙缺陷显著降低疲劳寿命（疲劳裂纹多起源于孔隙边缘）。

Figure 11.Typical defects of as-built LPBF Ti–6Al–4V alloys: (a) lack of fusion and powder adhesion[25,37], (b) pore defects[39, 103], (c) balling effect[114], and (d) effect of the scanning speed and spot size on porosity[110].

微观结构：熔池快速凝固形成分级针状α'马氏体和柱状β晶粒，晶粒沿构建方向择优生长，α'相尺寸从20μm（主级）至（四级）不等。XRD分析显示未退火样品中无β相，与传统锻造合金显著不同。

Figure 13.Microstructure of LPBF Ti–6Al–4V alloys: (a) optical photographs of metallographic microstructure[24,37], (b) the thermal history of the selected point in LPBF[120], (c) identification of graded acicular martensiteα′[24], (d) XRD patterns and (e) EBSD orientation maps of of as-built LPBF Ti–6Al–4V alloys[37, 79], and (f) the volume fraction of crystal orientations in LPBF Ti–6Al–4V samples[126].

3.机械性能与各向异性

硬度与强度：顶面硬度（394–408HV）显著高于侧面（310–345HV），归因于顶面α'相含量更高；优化参数后抗拉强度达1390MPa，延伸率9.66%。

动态性能：应变率硬化效应在顶面更显著，J-C本构模型显示不同扫描策略的流动应力差异明显（如67.5°扫描顶面流动应力参数A=994.21MPa）。

Figure 14.Anisotropic mechanical properties of LPBF Ti–6Al–4V alloys: (a) influence of material anisotropy and laser scanning strategy on hardness[79], (b) the comparison of ultimate tensile strengths, yield strengths and elongations of horizontally and vertically constructed parts[82], and dynamic stress–strain curves on the (c) top surface and (d) front surface of LPBF Ti–6Al–4V alloys with 67.5° laser scanning strategy[25].

4.残余应力分布

高残余拉应力（X方向600MPa，Y方向200MPa）由陡峭温度梯度引起，预热基板至400°C可降低残余应力50%。数值模拟表明，扫描矢量长度增加会加剧纵向应力。

Figure 16.Anisotropic residual stresses in LPBF Ti–6Al–4V alloys: (a) distribution of residual stresses inXandYdirections[143], effect of laser power (b) and scan speed (c) on residual stress[35], (d) effect of scan speed and hatch spacing on residual stress[127], (e) distribution of solid-state phase fields[145].

5.后续加工性能

切削力各向异性：顶面切削力波动更大（因柱状晶粒阻碍塑性流动），微铣削中侧面表面粗糙度（Ra=0.15μm）优于顶面（Ra=0.24μm）。

表面完整性：超声振动辅助加工（UVAM）可减少塑性变形层厚度（降幅30%），MQL技术降低切削力33–46%，表面粗糙度改善62.3–82.2%。

刀具磨损：LPBF合金的高硬度和细晶结构加剧刀具粘附磨损，但MQL润滑可延长刀具寿命23%。

主要结论

1.工艺优化：激光功率与扫描速度的匹配是调控能量密度、减少缺陷（如孔隙率）的关键，67.5°旋转扫描策略可显著降低各向异性。

2.缺陷控制：孔隙和未熔合缺陷可通过热等静压（HIP）和激光重熔技术显著降低（孔隙率从0.08%降至0.01%）。

3.各向异性机制：柱状β晶粒的择优生长和α'相分布是机械性能各向异性的根源，动态压缩性能的应变率敏感性受晶粒取向影响。

4.加工挑战与策略：LPBF合金的低导热性和高残余应力导致切削温度升高，需结合MQL、UVAM和低温加工技术提升表面质量。