發布日期：2025-7-23 20:29:52
在過去的 30 年中，增材制造技術在數字化、自動化和智能化的浪潮中迅速發展，被譽為現代科技的杰出代表。通過計算機控制，利用計算機輔助設計 (Computer aided design，CAD) 等設計軟件，可以方便地設計三維模型，然后采用 “自下而上” 的方式逐層添加材料，從而打造出各種形態的實體部件，因此也被稱為 “3D 打印技術” 。這種制造方式徹底改變了傳統加工設計的溝通難題，消除了設計與制造之間的隔閡。無需工裝、模具和繁瑣的加工步驟，使得修改次數減少、生產周期縮短、制造成本降低，為快速、開放式制造提供了可能。這種靈活性特別適用于新產品開發、低成本和小批量生產，以及復雜結構和功能部件的制造。如今，增材制造技術已廣泛應用于航空航天、生物醫學、軌道交通、國防軍事、能源、化工、微納米制造等眾多領域 。
增材制造技術為滿足不同材料需求，常結合多種能源，衍生出多樣化的加工技術。針對不同材料，如有機、無機非金屬和金屬材料，相應的成形技術各異 ，如表 1 所示。這一多樣性確保了增材制造在各個領域中的廣泛應用和高效性。
金屬材料的增材制造技術，作為快速成形領域的前沿發展之一，既是科研核心，亦充滿挑戰 。金屬材料增材制造主要可以分為送粉、鋪粉和送絲兩種工藝模式。在這兩種模式中，以金屬粉末為原料進行增材制造具有更高的成形精度，且適用于復雜外形小型構件的加工，但是材料利用率不高，并且粉末會造成一定程度的環境污染，還存在著對操作環境的要求高等問題。相比之下，送絲增材制造的材料利用率很高，無污染，更加經濟實用 。
鈦合金強度高、密度低、耐腐蝕、耐熱性好，以及生物相容性好，被廣泛應用于航空航天、新能源及生物醫療學等領域 。然而，鈦合金具有鍛造溫度范圍窄、抗變形能力強、對生產環境敏感的微觀結構特性等工藝特征，以及使用傳統工藝生產加工鈦合金零件時存在生產工藝復雜、材料利用率低和加工成本高 等缺點。近年來，熔絲增材制造技術的發展為鈦合金零件的生產和制造帶來了新思路 。該技術通過逐層分層堆垛生產實體零件，不需要模具支撐零件 ，有效降低了工藝和生產成本，具有廣闊的發展前景 。當前鈦合金零部件熔絲增材制造技術包括電弧熔絲、電子束熔絲和激光熔絲。其中電弧增材制造多用于大型復雜形狀工件，精度要求不高，但是因為精度不高，所以在成形之后一般都要進行一系列后續加工；電子束增材制造能量密度大，能量利用率高，使沉積效率與速率亦非常高；激光增材制造多用于復雜小件精密快速成形。
本項研究對鈦合金熔絲增材制造技術在全球范圍內的研究狀況進行了全方位和系統性的概述，同時也分析了該制造技術目前存在的不足和可能的改進方案，并對鈦合金熔絲增材制造技術未來的發展趨勢給出了建議。
1、金屬熔絲增材制造技術
金屬熔絲增材制造采用電弧、電子束或者激光等為熱源，按照數字模型，在成形過程中，通過熔融、填充等方式，將金屬絲在成形過程中層層疊加，最終形成金屬件。該技術可實現大尺寸、低設備成本，高材料利用率和高沉積效率，是一種高效、經濟的制造方法，可實現大尺寸、中型復雜度的高性能金屬構件的生產。如圖 1 所示為金屬熔絲增材制造技術原理與 3 種常見的主要工藝參數。其中：WAAM 表示電弧熔絲增材制造，EBAM 表示電子束熔絲增材制造，LAM 表示激光熔絲增材制造。
1.1 原理
金屬熔絲增材制造技術是將金屬材料加熱至熔融狀態，再利用擠壓頭進行熔融擠壓，最后層層疊加成形。該技術具有耗時少、靈活性好等優點，已成為國內外學者關注的熱點。
該流程由如下步驟組成:
送料：一般是在電腦控制的情況下，以金屬絲材為原料。在熔絲增材制造工藝中，將金屬材料纏繞于供料滾筒上，然后由送絲機構將線材送至擠出頭。
加熱和熔化：在電腦的控制下，噴頭做 X-Y 聯動的往復移動，以及 Z 軸方向的運動，使金屬絲在噴嘴內被加熱到它的熔點。
熔融沉積：在運動過程中，噴出熔化的材料，溫度降低后形成一層。
逐層打印：當每個層高都做好之后，平臺會以一個預先設定的速度降低，然后持續熔絲沉積，直到完整的立體構件。
1.2 工藝參數
在熔絲增材制造的過程中，為了確保產品的質量與性能，必須對幾個關鍵的工藝參數進行控制。
掃描速度：在金屬熔絲增材制造中，掃描速度是決定加工溫度場、應力應變場的關鍵因素，也是影響工件質量與性能的關鍵因素。研究表明，在不同的掃描速度下，熔絲增材制造過程中會出現不同的溫度梯度及應力分布，進而對零件的品質與性能產生顯著的影響。
送絲比：送絲比是送絲速度與掃描速度的比值，它決定了單位長度送入熔池中絲材的質量。如果送絲比太高，則焊絲不能及時熔解，焊絲就會碰到基材而產生變形，從而導致成形失敗。送絲比太小時，焊絲端部不能與熔池實現液橋的穩定過渡。
層高：層高為各層堆垛的厚度。層高越低，工件的表面質量越好，加工精度越高，但加工周期越長。增大層高可提高加工效率，但也會影響工件的加工質量及加工精度。所以，要根據被加工對象的需求，選用適當的層高。
2、鈦合金熔絲增材制造工藝
鈦合金的增材制造按其加熱方式可劃分為電弧熔絲增材制造、電子束熔絲增材制造以及激光熔絲增材制造 。
2.1 電弧熔絲增材制造技術
電弧熔絲增材制造 (Wire arc additive manufacture，WAAM)，以電弧為熱源，對金屬絲進行熔融，并在工件的 3D 建模基礎上，沿軌跡規劃的打印軌跡，將熔敷金屬逐層堆疊，直到最后形成金屬件 。
WAAM 的優點包括:
效率高：沉積效率為 1~10 kg/h 或更高，遠高于激光增材制造等工藝，能快速制造大型金屬部件；
成本低：無需復雜工具，設備成本相對較低，材料利用率高，可降低生產成本和縮短交貨時間，在中大型工程組件制造中成本優勢顯著；
可制造復雜形狀：能實現復雜內部結構和幾何形狀的一體化成形，制造出復雜的火箭發動機殼體等。
WAAM 的缺點包括:
精度相對較低：打印精度遠低于激光增材制造等精度較高的工藝；
表面質量差：常需要進行表面處理，如打磨、拋光等；
存在冶金缺陷以及殘余應力等問題。
電弧熔絲增材制造應用領域廣泛，主要包括：航空航天大型結構件制造、發動機部件制造等；船舶領域方面螺旋槳、推進器等大型金屬部件；汽車領域的模具以及零部件的制造以及能源領域的發電設備和石油化工設備的部件制造。
自 1926 年以來，隨著工業自動化和數字化技術的不斷發展，電弧熔絲增材制造技術得到了廣泛的關注 。對其后的機械加工時間可減少 15%~20%，并且可以節省原材料的費用 78% 左右 ，它可以取代傳統的鈦合金的鑄鍛工藝，實現鈦合金零件的低成本制造。WAAM 技術根據焊接的方式分為熔化極氣體保護焊 (Gas metal arc welding，GMAW)、非熔化極鎢極氣體保護焊 (Gas tungsten arc welding，GTAW)、等離子弧焊 (Plasma arc welding，PAW)、冷金屬過渡焊 (Cold metal transfer，CMT) 等焊接技術，可以在目前的焊接工業中加以改造，降低設備的投入，而且還具有堆積效率高、材料利用率高、對零件尺寸的限制小、容易修復等特點 。圖 2 是幾種常見的電弧增材制造的工藝及其原理圖。其中 TIG 表示非熔化電極式氣體保護電弧焊接。
2.1.1 熔化極增材制造
隨著增材制造的發展，GMAW 被廣泛運用。脈沖熔化極惰性氣體保護焊 (Metal inert gas welding，MIG)/ 熔化極活性氣體保護電弧焊 (Metal active gas welding，MAG)、CMT 焊接、焊接機器人等技術在 WAAM 中的工藝優化、工藝與組織性能之間關系、制造系統搭建與優化等方面研究較多。
天津大學趙孝祥等 采用焊接機器人和 MIG 焊機作為實驗平臺，研究 GMAW 在 WAAM 過程中熔滴的過渡形態和焊接工藝參數對熔池表面形貌的影響規律，并探索不同的焊接路徑對熔池表面形貌精度的影響規律。結果表明：堆焊時，隨堆焊層厚度的增大而硬度降低。何冠宇 開展了熔化極氬弧、脈沖熔化極氬弧增材制造過程中熔滴過渡行為的研究，研究其對成形精度的影響。曹勇等 用機器人 GMAW 及數控銑削復合快速控制系統實現了某履帶車輛凸輪零件的制造，從而證明了該系統的可行性和高效性。
目前，冷金屬過渡在電弧熔絲增材制造中較為熱門。CMT 工藝的研究內容包括增材軌跡的控制、成形工藝的優化以及零件的缺陷的改善。陳偉 以 TC4 鈦合金為研究對象，采用 CMT 工藝制備 TC4 鈦合金宏觀晶粒演變規律及微觀組織調控方法研究，實現 CMT 制備 TC4 鈦合金綜合性能的優化。CMT 增材在制備鈦合金熔滴過渡時，在基值階段以短路過渡為主，峰期電弧始終位于熔滴底部，并通過機械回拉與表面張力相結合的方式實現熔滴短路過渡。在基值階段時，電流會對懸臂結構傾斜度產生明顯的影響，為了增大傾斜角度，不但要減小基值時的電流，而且要使基值和峰值電流之比不能超過 0.2。結果表明，這種合金是明顯的韌窩斷裂。
王益可等 采用 WAAM 系統，用 TC4 鈦合金絲材在退火后的 TC4 基板進行沉積，試驗表明，固溶時效處理有助于提高電弧增材制造 TC4 鈦合金微觀組織均勻性，并顯著降低力學性能的各向異性。
WAAM TC4 不同狀態下的微觀組織形貌如圖 3 所示。時效處理 (Aging treatment，AT: 600 ℃，2 h / 固溶空冷 (Air cooling，AC)) 后電弧增材制造的 TC4 鈦合金微觀組織如圖 3 (a) 所示。可以看出，馬氏體 α 相明顯減少，部分 α 片層從馬氏體α'相中析出。由圖 3 (b) 表明，經 SA1 固溶時效處理 (SA1: 800 ℃， 1 h/FC+600 ℃，1 h/AC) 后，馬氏體 α 相分解為α+β 。此外，固溶時效處理加快了合金元素的擴散， CLUB 在晶界上形核并開始生長。 SA2 (SA2:870 ℃，1 h/FC+600 ℃，2 h/AC) 樣品的微觀組織形貌如圖 3 (c) 所示。可以看到， αGB 首先沿著 β 晶界生長直至形成連續的αGB 。隨后，連續的α'發生粗化。與 AT 和 SA1 相比，SA2 的α'連續性更好，同時寬化程度也更大。在 SA2 樣品中還觀察到了一些 β 相以顆粒狀和棒狀析出，說明隨著固溶溫度的升高，樣品中的α'相析出得更加充分。此外，在 3 種狀態下均觀察到了初生 α 相 (Primary α，αp) 發生斷裂。
在工程中，尤其是航空結構件，其疲勞性能一直是人們所關心的問題。開展 TC4 鈦合金電弧增材制造的疲 勞 特 性 研 究 是 十 分 必 要 的 。 Wang等［30⁃31］對 TC4 鈦合金進行了非熔化電極式氣體保護電弧焊接模式的電弧增材制造的高周疲勞試驗，試驗結果顯示，除早期破壞的樣品以外，其他材料的疲勞強度均高于鍛造級。Zhang 等研究發現，TC4 鈦合金在電弧增材制造過程中的顯微組織結構及殘余應力對其裂紋擴展行為的作用。總之，針對 TC4 型鈦合金材料的電弧增材制備及其疲勞性能的研究還很缺乏，而 CMT 型 TC4 型構件在 CMT 型下的疲勞性能研究尚未有相關研究。
2.1.2 非熔化極增材制造
目前，國際上對于鈦合金的電弧增材制造研究多采用非熔化電極式氣體保護電弧焊接 (Tungsten inert gas welding，TIG) 熔絲增材技術，鈦合金 GMAW 增材制造技術目前還沒有在工業上被廣泛使用，這是因為 GMAW 焊接電弧易發生飄逸，焊接過程易產生大量飛濺 。鈦合金電弧增材制造普遍存在粗大的初生 β 柱狀晶，自沉積層底部基板一直生長至掃描沉積試樣頂部，生長方式受掃描方式、送絲角度等因素影響。在鈦合金電弧增材制造過程中，如何有效地控制熔覆沉積過程中的晶粒度和微觀結構，減少其各向異性，提高其綜合力學性能，一直是國際上的研究熱點 。
TIG 焊，因其設備成本低、適用性強等優點在工業生產中得到廣泛應用。胡金亮等 進行了 120 mm 厚 TA17 合金板磁控窄間隙 TIG 焊接試驗，系統闡述了接頭不同區域的微觀組織結構以及力學性能。結果表明：沿接頭縱向的微觀組織差異并不明顯，而橫向顯微組織不均勻性顯著，如圖 4 所示。
馮靖等 進行了 Ti-V-Mo 系高強鈦合金 TIG 自動送絲和手動填絲兩種焊接工藝試驗，對比分析了焊接接頭的成形、組織和力學性能。研究認為，兩種焊接方式下焊縫表面呈銀白色，焊接過程穩定：熱影響區和焊縫區的晶粒尺寸較大，前者主要由針狀 α 相構成，后者主要為層片狀 α 相轉變組織；在兩種 TIG 焊接工藝下，熱影響區都具有良好的沖擊韌性。Ren 等 研究了 TA15 合金 TIG 焊接接頭的拉伸和疲勞性能，采用階梯試驗法得到了鈦合金的疲勞概率 S -N 曲線，分析討論了導致 TA15 合金接頭拉伸和疲勞失效的原因。實驗說明，拉伸試驗中 83% 的斷裂位置在熔合區，而疲勞試驗中 74% 的試樣在母材 - 熱影響區斷裂；在熔合區和熱影響區冷卻凝固形成的網籃組織和 α' 馬氏體相提高了接頭硬度，但是該區域存在的粗大晶粒也是工件塑性變差的原因。上海交通大學林建軍 采用脈沖等離子弧熔絲增材制造 (Pulsed plasma arc additive manufacturing，PPAM)，材料采用 Ti-6Al-4V 合金，發現其宏觀組織結構主要由粗大的初生 β 晶粒和層束組織構成，顯微組織主要由馬氏體α'和魏氏組織 (網狀結構) 構成，如圖 5 所示。
盡管經過優化的電弧熔絲增材制造技術已獲得一定程度的原始等軸晶結構，但其各向異性仍十分顯著，研究人員試圖在高溫下對沉積的金屬進行變形，以達到細化晶粒的目的。McAndrew 等 和 Hönnige 等 通過對 WAAM 成形 Ti-6Al-4V 合金進行層間輥壓和錘擊，使初生 β 晶粒破碎，形成一種新的取向，促使晶粒細化。Bermingham 等 以 TC4 合金為研究對象，采用熱處理和熱等靜壓在內的不同后處理方法，研究了熱處理、熱等靜壓等工藝對 TC4 構件微觀結構及力學性能的影響，發現熱等靜壓可以降低構件的孔隙率，但對構件的強韌化作用不明顯。李雷等 采用電弧增材制造技術制造了 TC4 鈦合金薄壁墻，同時研究熱輸入、熱循環和冷卻速度等因素對電弧增材制造過程中微觀組織結構的影響。Lin 等 以 TC4 鈦合金為研究對象，通過對其在電弧等離子體沉積條件下的變形行為進行研究，發現在增材成形過程中，由于產生了與沉積相垂直的粗大柱狀晶，從而使其具有顯著的各向異性。了解晶粒細化機制和研究提高沉淀效率的方法是未來發展的重要方向。
同時，在鈦合金中添加微量元素，對粗晶的形 成和長大起到了一定的抑制作用，這是目前鈦合金 電弧增材制造領域的又一研究熱點。添加少量 B元素，在固⁃液界面前沿富集造成成分過冷，抑制原 始 β 晶粒的長大。如圖 6 所示，當 B 含量為 0.05%時，在成形的 Ti6Al4V 延伸率（Elongation， EL） 保持在 8% 的前提下，極限抗拉強度（Ultimate ten⁃ sile strength， UTS）達到 1 089 MPa，提高了 17%； 但隨著 B 含量的繼續增加，Ti 與 B 原位生成脆性TiB 第 二 相 ，強 度 進 一 步 提 高 ，但 塑 性 明 顯 降 低［46⁃47］。另外，研究人員分別嘗試添加微量的 Y、Si、Sn、Cr、ZrO2、TiN、ZrN 等，作為異質形核劑和起到釘扎作用，抑制初生 β 晶粒的長大，促使柱狀 晶向等軸晶轉變，改善了初生 α 相尺寸，提高了力 學性能［48⁃52］。
2.2 高能束熔絲增材制造技術
2.2.1 電子束熔絲增材制造技術
與激光相比，電子束在能量密度上并沒有太大的差距。電子束熔絲增材制造按其材質和工藝方法可劃分為兩類：一類是電子束選區熔化 (Electron beam melting，EBM) 技術，另一類是本文中所采用的電子束熔絲增材制造 (Electron beam additive manufacturing，EBAM) 技術。
這種技術流程簡潔、周期短，且在真空條件下操作，可有效保護金屬材質，尤其適用于鈦、鋁等活潑金屬的制造。然而，受限于真空室的大小，它更適用于結構復雜、尺寸較小的精密零件成形。目前，電子束增材制造在鈦合金領域尤為活躍，其中 TC4 是主流選擇。通過這項技術，從而實現復雜金屬零件的高精度、高質量制造，如圖 7 所示。
電子束熔絲增材制造的優點包括材料性能優良、加工精度較高，電子束能量密度高聚焦性好，能夠精2確控制熔化和凝固過程，實現高精度的零件制造、制造效率高、真空環境優勢等，其缺點也有很多，包括設備成本高昂、材料選擇有限、零件尺寸受限、表面質量欠佳、技術要求嚴格等。電子束熔絲增材制造應用場景廣泛，包括航空航天的關鍵部位制造，復雜形狀的制造和修復與再制造；汽車領域中高性能零部件、輕量化結構件和定制化零部件的制造；醫療領域中個性化醫療器械和復雜形狀醫療器械的制造等。
目前，國際上關于電子束熔絲增材制造成形鈦合金的研究多集中于 TC4 (Ti-6Al-4V)、TC18 和 TC17 等鈦合金的成形技術、成形缺陷及成形后的微觀結構和力學性能。Bush 等對在 EBAM 下對鈦合金成形過程中添加添加劑的效果進行了研究。研究發現：Ti-6Al-4V 成形件的微觀形貌為柱狀晶，其高溫力學性能與鍛件相當；成形 Ti-8Al-1Er 合金的微觀形貌為等軸晶，并且基體彌散分布增強相，蠕變和抗氧化性能優于 Ti-6Al-4V 合金。Kar 等對 Ti-6Al-4V 板材進行了電子束掃描偏轉與微觀結構及力學性能之間的相關性研究，發現通過對 Ti-6Al-4V 板材進行掃描，可以使接頭的顯微結構得到細化，其延伸率提高 10%~15%，沖擊韌性提高 10%~15%。Panin 等研究了 EBAM 工藝對 Ti-6Al-4V 工件表面粗糙度和力學性能的影響，發現采用連續電子束對 70μm 表層進行再熔，在重熔表面層和 500μm 的受熱區存在尺寸 20%~30% 的等軸晶和針狀 α' 相，其顯微硬度和抗拉強度顯著提高，分別可達 820MPa 和 950MPa。
黃志濤、董偉等研究了 EBAM TC18 鈦合金的成形技術、微觀組織結構和晶體取向。實驗中，將平行于水平方向定義為 TD，而垂直于水平方向定義為。研究發現，TC18 鈦合金成形過程中，和相都表現出較強的組織結構，并且相變具有繼承性，且服從 Burgers 取向關系。圖 8 左圖為 α 相面 {0002} 織構圖，可見在 α 相基面形成較強的織構；右圖為處的取向分布函數，可見相在歐拉角 {、45,301、{φ1,75,30} 處形成較強的織構。經熱等靜壓后，工件的宏觀結構由粗柱狀晶組成，沿兩個極軸方向上垂直生長，由熔池底部向外擴展，由片狀相變結構和相界面組成，多數 β 晶取向差異均在 10° 以下，且沿軸向呈強網狀排列，如圖 8 所示。與雙絲送絲工藝相比，單絲送絲工藝件的塑性及穩定性高，強度低567。
中國科技大學陳昭等通過 EBF3 技術制備 Ti-6Al-4V 薄壁構件，發現在 100~150mA 范圍、條件下，薄壁構件的成形質量良好，復式掃描方式下薄壁成形件變形較小，且隨著束流的增加而增加，采用動態調節束流、在基底底部施加等溫約束能顯著降低形變8。
綜合上述研究結果，提出了一種從熔池底部垂直向外生長的柱狀 β 相，層間呈亮 / 暗相間的條帶，其顯微組織結構為馬氏體針狀相、片狀 α 相及基體相。晶體取向 Burgers 遵循取向關系；微量元素的加入可以提高鈦合金的機械性能。
2.2.2 激光熔絲增材制造技術
激光熔絲增材制造 (Laser wire additive manufacturing，LAM) 是以激光為熱源，將原料熔融后，再通過增材制造的一種新工藝，其能量密度高且熱輸入小，熔絲穩定，工藝過程穩定，可制造復雜的形狀結構。鈦及其合金具有高強度和抗腐蝕能力，綜合機械性能優良，但其熔點高、容易被氧化，加工工藝難度大。利用激光增材制造可實現復雜結構、高精度、高機械性能的鈦合金構件，在航空航天、醫療、模具、電力電子、汽車和船舶等領域具有重要的應用價值，已成為世界各國科研機構的研究熱點[61-62]。
鈦合金激光熔絲增材制造的單道成形工藝是研究的基礎，目前，國內外學者主要從工藝參數和送絲方式等方面開展了相關研究。Mortello 等研究了熔池、激光束和金屬絲相互作用對穩定光滑沉積的關系，揭示了在滿足能源供給的前提下，熔池內絲端相對定位對沉積的穩定性具有重要作用，而平滑過渡則是確保工件精度、減少工件表面粗糙度的有效途徑。Brandl 等研究了激光功率、移動速度與送絲系數對沉積層尺寸的影響，結果表明，隨著激光功率的增加，沉積寬度增加、高度減小。
杜發瑞在真空條件下進行了方形薄壁零件的淀積成形 (圖 9)，并對非加工工藝參數對鈦合金成形工藝的影響進行了研究。結果顯示，激光功率不變線能量增加或線能量不變激光功率增加，關鍵成形因子的變化幅度逐漸增大，加工區間也隨之增大；薄壁層間間隔為 1s 時，熱累積和層寬最大，層間間隔大于 5s 時，對層寬的影響不大。
除上述工藝研究之外，典型零件的成形及其組織和力學性能的分析也是鈦合金激光熔絲成形工藝的研究重點。Mok 等對高功率激光作用下的鈦合金進行了成形過程研究，并對其微觀結構、機械性能進行了分析；其顯微結構為網狀魏氏結構，同時含有大量的針狀 α 相，機械性能可與鍛壓、鑄造相媲美。Baufeld 等利用 LAM 和表面貼裝元器件 (Surface mount device，SMD) 兩種方法制備的薄壁構件，獲得了原始的 β 柱狀晶及層帶狀組織，其宏觀力學性能基本一致，但 LAM 頂端硬度和拉伸強度較高。Liu 等通過表面反應實驗，研究了不同工藝條件對材料微觀結構、內部缺陷等的影響規律，發現鈦合金界面結構以粗柱狀晶和葉狀結構為主，通過工藝參數的優化可以消除氣孔缺陷。
但是，在鈦合金的激光熔絲增材制造中，柱狀晶的取向生長還與送絲法有關。Schulz 等采用旁軸送絲方式激光熔絲增材 TC4 鈦合金，送絲方式如圖 10 (a) 所示，使其柱狀晶在送絲方向上生長，并在送絲方向上生成魏氏結構。Åkerfeldt 等的研究發現，增材方向上的柱狀晶是導致增材部件各向異性的重要原因。為解決大尺寸柱狀晶的難題，石世宏等研究開發了可實現同軸送絲的激光熔覆工藝，改善了由粗柱狀晶引起的沉積層各向異性缺陷問題。Fu 等采用軸對稱多重激光源，通過軸向送絲方法，對 TC4 鈦合金進行增材制造，如圖 10 (b) 所示。
2.3 熔絲復合增材制造技術
“復合” 這一術語在制造業中得到了廣泛的應用，將 “復合制造” 定義為 “一種基于多種工藝、工具和能量源同步協調工作的技術，在這種技術中，各要素之間的相互作用是可控的，并且對工藝和零件性能產生顯著影響”，通過一項或更多的輔助工藝與增材制造工藝相結合，從而提高了工藝和部件的性能25。
2.3.1 復合熱源增材制造
增材制造結構件的整體品質與加工效率很大程度上依賴于其熱源與填充材料的傳輸方式，激光束是一種高能量密度集中、無接觸、無間隙、無約束的高能量密集源，在加工精度上具有明顯的優勢；而以電弧為載體時，則具有更小的工作范圍和更大的空間尺度，可以有效地降低加工難度和能耗，可實現高效、低成本的致密成形，激光 - 電弧復合熱源可使雙熱源發生耦合作用，充分利用兩者的優點，在確保加工質量的前提下，提升加工效率，在復雜結構件制備方面有著極大的優勢。另外，激光 - 電弧復合熔絲增材制造技術是一種高效、優質的新型增材制造工藝，在實際生產中有著重要的實際應用價值。
英國的 Steen 教授于 1980 年首次提出了激光 - 電弧復合加熱方式，其原理是將兩種不同的焊接方式結合起來，圖 11 為激光 - 電弧復合技術示意圖。其中，高能密集的激光束和電弧之間存在著復雜的耦合效應，能夠充分發揮兩者的優點和特性，從而有效地互補二者的優缺點：在加工時，通過對電弧的壓縮，可以實現對電弧的有效穩定控制，防止因高速運動造成的電弧的漂移和不穩定性，激光束形成匙孔可增加熔深，提高熱源利用率。
與激光、電弧等單熱源增材制造相比，復合材料增材制造在組織結構優化、制造效率提升等方面具有明顯優勢，但其微觀結構調控及激光 - 電弧耦合效應機制尚不明確，目前國內外多數學者都是通過實驗探索。Pardal 等研發了一種基于激光 - CMT 復合激光熔絲增材系統，與單獨使用 CMT 增材相比，該工藝可以增大單道次的沉積厚度，同時利用激光束對電弧進行定向導引，從而提高加工精度，如圖 12 所示。通過比較發現：復合增材熔絲制造技術將 Ti-6Al-4V 沉積速率從 1.7kg/h 提高到 2.0kg/h，轉換效率從 48% 提高到 83%，從而大幅提升了加工效率。
2.3.2 輔助工藝增材制造
輥軋 + 電弧復合制造工藝是一種高效率的技術，在國內外引起了廣泛的重視。華中科技大學張海鷗、中國航空制造技術研究院單飛虎等學者提出了一種基于增材工藝的同步輥軋復合成形的增材制造技術，首次提出了一種基于多層滾壓增材工藝，通過對毛坯進行分層滾壓加熱，實現對材料微觀結構的精細調控，緩解內部應力，大幅提升材料的強度。英國 Cranfield 大學的 Colegrove 等將分層軋制工藝應用于鈦合金的增材制備，以提高其微觀結構，從而提高其機械強度。電弧熔絲增材輥軋復合制造技術集熱源的加熱與輥軋過程于一體，顯著優化材料的微觀結構，提升機械強度。為精確模擬這一過程，有限元模擬中運用了生死單元技術，以精細描繪電弧增材的每一步。如圖 13 所示，構建的幾何模型詳盡地呈現了基板、沉積金屬層、工作臺及軋輥的構造。本模型不僅模擬了 10 層的電弧增材與輥軋復合成形過程，更在 10 層沉積后引入了 800s 的冷卻時間，以細致觀察應力分布與變形的演變。當軋輥設計為標準的圓柱形時，沉積的金屬層頂部能平整地延展。為提升計算效率，從而簡化了軋輥與工作臺的模型，將其轉換為僅具備材料屬性和傳熱特性的剛體，從而在不影響結果準確性的前提下，提高了計算速度。
Martina 等對開展了 Ti-6Al-4V 熔絲電弧增材及輥軋工藝試驗，發現在 50 和 75kN 軋制力載荷作用下，其沿高度方向產生的應變分別為 7.9% 和 18.2%。為研究更大范圍壓下量對等效塑性應變的影響規律，本研究應變選擇 0%~42.2%，由于層高為 2mm，則壓下量分別為 0~0.844mm，如圖 14 所示。但在面向復雜曲面構件的加工中，基于滾壓復合增材制造技術不能有效地實現工件的局部特性壓縮。所以，如何改善輥軋柔性就變得非常重要。
羅志偉等采用鍛造 + 電弧增材復合制造的方法對 TC11 的組織與力學性能進行研究，采用金相觀察、拉伸試驗等方法開展研究。實驗結果表明，復合制造后的力學性能介于電弧增材和鍛造之間，呈現低強高塑性的性能。
試驗采用統計學方法對測試結果進行分析，利用 Minitab 軟件，對鍛造區和電弧增材區顯微硬度進行單因子方差分析，觀察是否有差異性，結果如圖 15 所示。從圖 15 (a) 中可以看出，在沉積態條件下，鍛造區和電弧區顯微硬度數據等方差滿足單因子方差分析條件，分析結果見圖 15 (b)，鍛造區顯微硬度均值 379.33HV0.5，95% 置信區為 (373.51HV0.5，385.15HV0.5)，電弧增材區顯微硬度均值 367.93HV0.5，95% 置信區間密度較高，因此具有更高的顯微硬度。從圖 15 (c) 中可以看出，雙退火條件下，鍛造區和增材區顯微硬度數據等方差，滿足單因子方差分析條件。經過雙退火后，鍛造區網籃組織發生再結晶轉變為雙態組織，位錯密度有所下降，顯微硬度均值降低至 373.27HV0.5，而增材區由于網籃組織粗化，顯微硬度均值略微降低至 364.60HV0.5。對比兩區域顯微硬度，單因子方差分析結果中值為 0.166，原假設成立，表明熱處理后兩個區域的顯微硬度無顯著差異，不具有統計學顯著性。從晶粒狀態和顯微硬度分析結果來看，電弧區發生斷裂的主要原因有兩個。第一種是微觀結構，鍛造區在析出狀態下位錯密度較高，導致顯微硬度較高，因此強度高于添加區；第二種是晶粒形態，當試樣沿析出方向拉伸時，弧形強化區柱狀晶的晶界平行于拉伸方向；弧形強化區柱狀晶的晶界平行于拉伸方向，根據 Hall- Petch 公式，晶界對位錯的抑制作用很弱，在拉拔過程中，位錯可以在滑動面上長距離滑動而不受晶界的抑制，從而導致強度比晶粒更小、晶界更多的鍛造部分有所降低，最終導致斷裂發生。所以，復合制造后的構件力學性能介于兩者之間，表現為低強高塑的特點。
將電子束熔絲增材制造技術與傳統鍛壓技術相結合，用于大尺寸鈦合金零件的加工與修理，是當前工程技術發展的重要發展方向。
王寧寧等基于 TC11 鈦合金電子束熔絲增材制造工藝研究的基礎上，以 “增材 + 鍛造” 為核心，采用正交試驗法，對束流、運動速度、送絲速度和掃描模式等參數進行優化，并參考 GJB2744A《航空用鈦及鈦合金鍛件規范》，通過圖 16 的測試結果發現，沉積部分以及與鍛件結合處的拉伸性能均高于規范要求，而延伸率和斷面收縮率卻低于規范要求。
電子束增材制造技術因具有能量利用率高、束斑作用部位深、無反射、無環境污染等優點，在國內外范圍內得到了廣泛的重視和應用，鈦合金無疑是研究最為系統、最為廣泛的合金，而在航空航天領域，尤其是在渦輪葉片、燃燒室等高精度構件上，如何將電子束的特殊優勢與其有機地結合起來，就顯得尤為重要40。
目前，基于張永康等對激光噴丸工藝的長期研究，提出了一種新型的激光鍛造復合成形工藝，其本質是兩道光束共同作用下的復雜成形工藝，如圖 17 所示。利用激光成形技術實現沉積層塑性變形，消除沉積層中的孔隙及熱應力，改善零件的內在品質及機械性能，實現對材料宏觀變形及裂紋的有效控制41。
激光鍛造具有柔性、可控等優點，可實現多組分增材制造，且具有細化晶粒、消除缺陷、重構應力等優點，為解決 “熱應力與變形開裂” 與 “內部質量與力學性能” 等共性科學問題提供新思路，具有創新性、新穎性及工業應用價值42。
2.4 小結
鈦合金熔絲增材制造技術融合了電弧、電子束和激光三大工藝，各具特色。電弧技術成熟穩定，成本低廉；電子束能量集中，穿透力強；激光則精確度高，成形美觀。微觀層面則主要由網籃特征的魏氏組織和針狀馬氏體 α 構成。這種結構確保了零件的力學性能和耐用性4344。
電弧熔絲增材制造主要分為熔化極增材制造和非熔化極增材制造，電子束和激光熔絲增材制造用高能束熔絲增材制造進行概括。同時，對 3 種增材制造技術的復合制造進行描述，激光 + 電弧、電弧 + 輥軋等方式主要出現在 WAAM 中，電子束熔絲增材制造主要以 TC4、TC18 等材料進行普通制造的研究，復合制造采用增材 + 鍛造的方法進行研究；激光熔絲增材制造對送絲方式研究，同時采用激光 - CMT、激光 + 鍛造、激光 + 電弧等技術進行復合制造45。
3、鈦合金熔絲增材制造的應用領域及發展前景
目前，中國對鈦合金材料的性能和質量提出了更高的要求，急需提升其增材制造水平。由于鈦合金材料在逐層堆垛過程中經歷了多重熱循環，其呈現出一種不均衡的熱力耦合過程，材料內部發生了一系列的物化 - 化學 - 冶金耦合作用，這些過程涉及材料、結構設計、加工工藝、后處理等多方面，而目前的研究大多局限于材料結構分析和性能規律的描述，缺乏對材料 - 工藝 - 組織 - 性能之間的內在聯系的研究，從而導致了材料 - 工藝 - 組織 - 性能之間的相互關聯，無法對其進行有效的調控。所以，深入研究熔絲增材制造過程中的物化、化學、冶金作用機制是今后發展的方向。
從目前國內外對金屬熔絲增材制造工藝的研究情況來看，采用激光、電子束等方法具有高的工藝性能，但其制作費用偏高，適合小型構件的加工與修復；而電弧熔絲增材制造技術具有成形速度快、成本低廉等優點，在大型零件的大規模生產中更加適合。圖 18 是 3 種熔絲增材制造目前應用領域。
3.1 應用領域
3.1.1 鈦合金電弧增材制造
鈦合金電弧增材制造是一項極具發展前景的先進加工工藝，在眾多領域被廣泛應用，如圖 19 所示。
（1）航空航天領域
全球首枚 3D 打印技術制造的火箭 Terran1 便采用了電弧增材制造技術來制造燃料儲箱。在中國，該技術也被廣泛應用于捷龍三號和長十一火箭中，用于制造衛星支架和支撐桿。
2016 年，太空制造公司開發的第二代增材制造機被送往國際空間站，以提高 xyz 軸的成形尺寸和分辨率，并制造了一系列工具，包括科學實驗樣條和輻射探測器的保護外殼。由太空制造公司開發的 VULCAN 太空金屬制造系統采用增材制造和減材制造相結合的工藝和機器人技術來生產高精度金屬零件。該系統采用電弧增材制造技術進行快速成形。
（2）生物醫療領域
該工藝可以制造出個性化的醫療器械，如針對人體關節、牙科種植體等的高適應性與功能性零件。目前，開發最成熟、使用最多的鈦合金是 Ti-6Al-4V 型鈦合金。北京大學人民醫院的技術人員利用增材制造技術，為骶椎脊索瘤病人量身定做了一種新型的鈦合金全骶骨假體，實現了病人的精確植入。
（3）汽車制造領域
寶馬集團 (BMW) 正嘗試通過運用電弧增材制造技術，創新性地生產車身、驅動系統和底盤等關鍵模塊的組件與汽車工具，不僅實現了部件的輕量化制造，更顯著提升了其結構強度，開啟汽車制造新時代。
（4）能源領域
隨著技術的發展，其在油氣行業的商業價值也開始顯現出來。中國石油集團克服了傳統制造方法的壁厚壁壘，制造出了三通管件，產品性能完全滿足中俄東線低溫環境用的 X80 熱擠壓三通管件的標準要求。
（5）船舶領域
船舶領域，電弧增材制造的巔峰之作當屬荷蘭 Damen Shipyards Group 聯手 RAMLAB 共同打造的全球最大 3D 螺旋槳。
3.1.2 鈦合金電子束熔絲增材制造
電子束熔絲增材制造同樣在航天、船舶、汽車、醫療、工具及航空發動機等領域有著廣闊的應用前景，如圖 20 所示。
（1）航空零部件制造
目前電子束熔絲增材制造技術已成功應用于空客 A320neo 飛機鈦合金后上翼梁、F-35 飛機翼梁等結構的制造。據報道，裝有電子束熔絲增材鈦合金零件的 F-35 飛機已于 2013 年初試飛。為滿足發動機雙性能盤的需求，北京航空材料研究院電子束熔絲增材制造了鈦合金雙合金離心葉輪，葉片部位能夠滿足 600℃使用要求，盤心部位具有更高的強度57。
（2）醫用器械生產
電子束熔絲增材制造技術在多個領域同樣展現了廣泛的應用前景。電子束熔絲增材制造技術還被用于制備生物植入材料，如鈦合金植入物，其優異的生物相容性和力學性能使其在骨科植入領域得到了廣泛應用58。
（3）船舶結構件生產
在控制修復形變量、提高產品質量等方面，電子束熔絲增材制造技術也展現了其獨特的優勢59。
3.1.3 鈦合金激光熔絲增材制造
激光熔絲增材制造技術在鈦合金制造中展現了獨特的優勢，包括提高材料利用率、優化成形質量和加工效率等。這項技術已被發達國家如歐美廣泛投資發展，并在航天發動機、模具等多個領域實現了應用，如圖 21 所示。
（1）航空航天領域
西北工業大學與中國航天科工集團北京動力機械研究所于 2016 年攜手合作，成功將 SLM 技術應用于航天發動機渦輪泵上，實現了重大突破。西北工業大學建立了一套完整的技術體系 “材料 - 工藝 - 裝備與應用技術”，通過此體系加上 SLM 技術，對于大型鈦合金構件，已經成功制備出了超過 3000mm 的鈦合金構件。如：Brandt 等采用 SLM 直接制造出的航天轉軸結構組件，美國 GE/Morris 公司采用 SLM 技術制造出的一系列復雜航空部件。此外，美國 NASA 公司從 2012 年開始采用 SLM 技術制造航天發動機中的一些復雜部件，NASA 和洛克達因公司合作，基于 SLM 增材制造技術實現了液氧、氣氫火箭噴注器的整體制造50。
（2）模具行業領域
激光熔絲增材制造技術還在模具制造中發揮了重要作用，如用于制造沖壓模、鍛模等各種模具。Mahshid 等采用 SLM 技術成形了帶有隨形冷卻通道的結構件，測試了采用細胞晶格結構后零件的工件強度。相對于中空結構，帶有晶格結構的樣件強度沒有明顯增加61。
（3）生物醫療領域
Wang 等利用 SLM 技術成功成形了 316L 不銹鋼脊柱外科手術導板，進一步展示了這一技術在醫療實踐中的巨大潛力。
3.2 鈦合金電弧熔絲增材制造技術和創新
鈦合金電弧增材制造是一種具有巨大潛力的先進加工技術，其應用前景廣闊。隨著科技的持續創新與進步，這項技術的發展方向愈發清晰。未來，鈦合金電弧增材制造技術有望在多個領域大放異彩，推動工業制造向更高效、更智能的方向發展。
在鈦合金的制造領域中，粉末材料乃一極為關鍵的存在。對于此種材料的深入探索與研究，將決定鈦合金的未來發展之路。展望未來，鈦合金粉末材料的探索之路必將繼續拓寬，引領其他金屬材料走向更為廣泛的實際應用。鈦合金電弧增材加工之中，工藝參數對于熔化和沉積之效果擁有舉足輕重的地位。對此，研究者們將深入研究，致力于優化各種材料、結構形式下的加工參數，以期滿足千變萬化的實際應用需求。隨著人工智能、機器學習等領域的日新月異，鈦合金電弧增材制造將有望實現智能化。在此基礎上，更將借助多尺度加工工藝，與傳感、控制等技術緊密結合，實時監控與調節加工過程，從而達到加工精度與穩定性的雙重提升。如此繁瑣復雜的工藝，正是鈦合金制造的獨特魅力所在。
隨著技術的不斷進步，對鈦合金電弧增材制造裝備的性能提升與工藝優化已經成為可能，這將使該技術在未來有可能實現規模化制備，從而更好地滿足產業化的要求。實施鈦合金電弧增材制造工藝，需要跨學科的研究與協作，這種跨學科性使得材料科學、機械工程、計算機科學等多個領域得以交融。隨著研究的深入，鈦合金電弧增材制造技術有望在船舶、建筑等多個領域得到廣泛應用。未來，鈦合金電弧技術將在粉末材料優化、工藝參數調整、智能技術應用、快速原型制作、大規模生產以及跨學科協同和應用領域拓展等方面取得重大進展。這些方向上的進步不僅將推動鈦合金電弧增材制造技術本身的提升，更將促進相關學科的自主創新與蓬勃發展。
3.3 鈦合金增材制造面臨的挑戰與機遇
鈦合金增材制造領域的研究與工程應用近年來呈現出迅猛的發展態勢。但是，與其他技術先進的國家比較，依然有著許多困難和挑戰。具體來說，中國在這一領域的產業標準體系尚未完全成型，同時缺乏系統性的應用研究，這需要研究者們繼續加大研究力度，不斷推動該領域的創新與突破。
盡管國內鈦合金有完整的產業鏈，但卻沒有驗證和認證的標準，目前還沒有相關熱處理標準，大多數零件都采用傳統的熱處理制備技術，沒有配套的熱處理等技術，難以體現鈦合金增材制造的真正優勢，且也沒有實際意義。
正因為這樣，所以需要繼續進行深入研究，對鈦合金增材制造技術進行進一步的突破，以此來體現真正的技術優勢等。
若以多學科交融為研究基石，深入探究高能束與電弧復合成形過程中的雙弧交互機制，有助于進一步發展與充實 “材料 - 結構一體化設計與制備” 的核心理論與精髓。此舉旨在從宏觀到微觀層面深度挖掘材料和結構的潛能，致力于攻克目前單束或電弧成形中存在的效率不足、結構不均等挑戰，旨在超越現有的設計極限，實現真正的創新突破。
同時，人工智能可用于參與增材制造過程，可生產復雜的結構部件，人工智能算法可用于基于設計的優化，如拓撲優化，以滿足強度和其他要求并能減輕部件重量、減少材料使用和提高性能效率。例如，機器人與激光焊接的融合加速了鈦合金增材制造在生產中的應用，因為機器人可以進行焊前、焊中和焊后加工等自動控制，減少了勞動力消耗。
4、結論
熔絲增材制造，作為一種前沿的加工方式，具備顯著的特點和優勢，涉及鈦合金加工時，更是展現出其獨特價值。鈦合金成形組織在宏觀上呈現粗大的柱狀晶和層帶結構，微觀上則主要由具有網籃特征的魏氏組織和針狀馬氏體構成。本文詳盡地闡述了電弧熔絲、激光熔絲以及電子束熔絲等鈦合金熔絲增材國內外制造方法，這些方法在鈦合金絲材的增材制造領域具有廣泛應用。
電弧增材具有效率高、成本低、可制造復雜形狀等優點，高能束熔絲技術包括電子束熔絲和激光熔絲技術，其中電子束具有材料性能優越、加工精度高、電子束聚焦好且能量密度高、能精確控制熔化和凝固過程、部件制造精度高、制造效率高以及能實現真空等特點。激光電弧增材技術的優點包括能量密度高、輸入熱量低、熔融絲穩定、工藝穩定以及能夠制造具有復雜幾何形狀的結構。這 3 種技術在航空航天、醫療、模具、汽車和船舶行業都有重要應用。
同時，復合增材制造具有重要研究意義。復合增材制造包括復合熱源增材制造和輔助工藝增材制造，其中復合熱源包括 “激光 + 電弧” 等，輔助工藝主要為 “增材 + 鍛造” 等工藝，復合制造提高了工藝和部件的性能，增加了創新性、新穎性及工業應用價值，也凸顯了鈦合金熔絲增材制造技術在未來發展中的重要性和意義。
在鈦合金增材制造中，其應用領域非常廣泛。一旦深入了解此領域，就會發現最近熱門研究在于激光和電子束增材制造以及各自的復合制造，高加工精度的優點在小型零件制造與修復領域有著重要地地位，同時其高成本限制了其大范圍應用。與其他技術先進的國家比較，依然有著許多困難和挑戰。例如，中國在這一領域的產業標準體系還未完整，缺乏系統性的應用研究，其加工精度等工藝要求仍需進一步提高。
表達出增材制造真正的技術優勢，就要對其進一步突破。通過完善相關數據庫體系、多學科融合增材制造技術、加入人工智能等攻克難題，實現真正的創新突破。鈦合金熔絲增材制造技術，在眾多領域均展現出廣闊的應用前景與巨大的發展潛力。
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