摘要：在材料制造领域，激光选区熔化（SLM）技术凭借独特优势备受关注，Ti-6Al-4V 合金也是应用广泛的材料。但你知道吗，SLM 成形 Ti-6Al-4V 合金时，扫描速度这一参数会极大影响合金的性能。它究竟是如何发挥作用的？本文将带你深入探究，一起去看看吧！

导读

在材料制造领域，激光选区熔化（SLM）技术凭借独特优势备受关注，Ti-6Al-4V 合金也是应用广泛的材料。但你知道吗，SLM 成形 Ti-6Al-4V 合金时，扫描速度这一参数会极大影响合金的性能。它究竟是如何发挥作用的？本文将带你深入探究，一起去看看吧！

激光选区熔化（SLM）技术自 20 世纪 80 年代末出现后，凭借能根据计算机辅助设计模型对复杂结构件进行净成形制造、粉末可回收等优势，在航空航天、生物医学等众多领域得到广泛应用 。不过，在使用 SLM 技术制造镍基高温合金和钛基合金等航空航天材料时，却面临着诸多问题。比如，高 γ′体积分数镍基高温合金易出现裂纹；零件孔隙率过高，影响其性能；快速熔化和冷却产生的高热梯度会引发残余应力；还会形成柱状晶结构、强纹理微观结构以及导致力学性能各向异性等 。

在 SLM 成形 Ti-6Al-4V 合金时，力学性能的各向异性通常与孔隙等缺陷的存在有关 。由于工艺参数选择不当，SLM 零件不可避免地会产生缺陷，这些缺陷不仅会使成形件拉伸性能下降，导致早期断裂，还会恶化表面粗糙度，影响尺寸精度 。目前，虽然对部分问题有了一定认识，但对于某些问题的根源仍存在争议。因此，深入研究不同扫描速度对 SLM 成形 Ti-6Al-4V 合金的影响，对优化工艺参数、提高成形件质量具有重要意义。

“【内容来源】

《扫描速度对 SLM 成形 Ti-6Al-4V 合金组织性能影响》由王颢琦、彭凡、项炜明等学者撰写。王颢琦、项炜明、郭瑞鹏、张长江来自太原理工大学材料科学与工程学院，彭凡、骆坤、刘东、陈思明就职于共享装备股份有限公司。文章发表于《#特种铸造及有色合金 》2025 年第 45 卷第 3 期。文章基于模拟和试验，讨论了扫描速度对激光选区熔化（SLM）成形 Ti-6Al-4V 合金的微观组织演变、缺陷和力学性能的影响，发现随着扫描速度增大，熔池深度变浅、熔化粉末与基板结合变差；SLM 的快速凝固导致初生 β 柱状晶和多级针状 α 相出现，扫描速度增大时，初生 β 晶界趋于更直和更宽，孔隙率和未熔化颗粒缺陷增多；增大激光能量输入可有效减少未熔化金属颗粒数量；随着扫描速度增大，成形件抗拉强度和伸长率降低，当扫描速度为 900mm/s 时，成形件抗拉强度最高，为 1238MPa，伸长率为 5.4%。

“【研究亮点】

结合数值模拟与试验研究，全面深入地探究扫描速度对 SLM 成形 Ti-6Al-4V 合金的影响；首次详细阐述 SLM 过程中未熔化颗粒缺陷的形成机理，并提出增加激光能量输入可减少缺陷的方法；明确不同扫描速度下合金微观组织、缺陷和力学性能的变化规律，为优化 SLM 工艺提供关键依据。

“【研究方法】

研究人员利用离散元软件 EDEM 模拟 Ti-6Al-4V 粉末颗粒的粉床生成过程，再将粉床以 STL 格式导入 FLOW-3D 软件建立 CFD 模型进行模拟。选用粒径符合特定分布的 Ti-6Al-4V 球形粉末，在 BLT-S320 设备上，于氩气气氛保护下，以 180W 激光功率、30μm 层厚、120μm 扫描间距、90° 扫描角度，分别以 900mm/s、1200mm/s 和 1500mm/s 的扫描速率成形试样。通过研磨、抛光、蚀刻试样，用 Gemini SEM 300 显微镜观察光学显微组织；在 Instron-5969 机械试验机上以 0.5mm/min 的拉伸速率进行拉伸试验；利用阿基米德原理，使用特定天平测量试样密度，计算孔隙率。

图1取样方法和试样实物图

“【内容解读】

单熔体轨道的形态和热行为

从熔道表面形貌和速度矢量图可以看出，不同扫描速度下单个熔道成形质量不同。1200mm/s 和 1500mm/s 时出现未熔化球形缺陷，表面凹凸不平，与基板结合差；900mm/s 时熔池尺寸小，呈彗星状，与基板结合良好。扫描速度增大，熔池长度减少更明显，从彗星状向圆状转变。模拟显示，900mm/s 时熔池形貌变化符合激光扫描 4 个阶段，且能深入基板；速度增大，熔池深度变浅，能量输入减少导致粉末不完全熔化，未熔化粉末颗粒在快速冷却和马兰戈尼效应作用下向中心移动，冷却后形成缺陷。

图2单熔道表面形貌和不同时刻速度矢量

不同扫描速度的表面形貌和相组成

扫描速度较大时，柱状初生 β 晶界畸变，相邻粉末层有未熔合缺陷；900mm/s 时，熔池能量足，β 晶界畸变改善，初生 β 晶粒内有 α 片层。1500mm/s 时，表面由半熔融粉末颗粒和颈缩熔化轨迹组成，能量输入无法完全熔化粉末；1200mm/s 时，熔迹重叠度改善；900mm/s 时，熔迹光滑平坦，粉末完全熔化，说明激光输入能量增加可改善熔化轨迹重叠情况。

图3不同扫描速度下SLM成形Ti-6Al-4V试样金相组织

不同扫描速度下成形件的显微组织

SLM 试样显微组织由 β 柱状晶和网篮状马氏体组成。扫描速度增大，β 柱状晶间距减小，冷却速率和凝固过冷度增加，晶粒尺寸变小。低扫描速度时，针状 α 位于 50° - 60°；高扫描速度时，变为沿垂直 / 水平方向 45°。扫描速度变化，α 马氏体尺寸显著变化，低速时二次马氏体与初生马氏体交织形成网篮状组织，高速时二次马氏体在 β 基体中形核长大，未形成细密网篮组织。

图4不同扫描速度下SLM成形Ti-6Al-4V试样的微观形貌

孔隙和缺陷分析

激光功率为 180W 时，孔隙率随扫描速度增大而增大，900mm/s、1200mm/s 和 1500mm/s 时，孔隙率分别为 0.2%、1.19% 和 1.99%。未熔化颗粒缺陷形成分萌生、发展、成形 3 个阶段，增加激光能量输入可减少未熔金属颗粒数量，避免缺陷产生。

图5不同扫描速度下Ti-6Al-4V试样的孔隙率

图6SLM过程中未熔化粉末颗粒缺陷形成机制示意图

力学性能和断口形貌

扫描速度为 1500mm/s 时，抗拉强度和伸长率受孔隙影响严重，分别为 942MPa 和 0.89%；900mm/s 时，孔隙少，抗拉强度达 1238MPa，伸长率为 5.4%。1500mm/s 时断口呈蜂窝状，是激光能量不足，承载面积减少所致；较低扫描速度试样断口蜂窝状形貌少；900mm/s 时试样断口孔隙少，未熔化颗粒缺陷几乎消失，但仍有未熔合层间间隙，所有试样均有韧性断裂特征，表明初生 β 晶粒间冶金结合强。

图7不同扫描速度下SLM成形Ti-6Al-4V试样的拉伸应力-应变曲线

图8不同扫描速度SLM成形Ti-6Al-4V试样断口形貌

“【主要结论】

相同激光功率下，扫描速度与孔隙率呈正相关，扫描速度 1500mm/s 时，孔隙率最高达 2.0%；降低扫描速度，初生柱状 β 晶界变宽变直，多级针状 α 片层的网篮组织更加密集；降低扫描速度可提高合金强度和伸长率，扫描速度为 900mm/s 时，抗拉强度最高为 1238MPa，伸长率为 5.4%。

“【引用格式】

中文：王颢琦，彭凡，项炜明，等。扫描速度对 SLM 成形 Ti-6Al-4V 合金组织性能影响［J］. 特种铸造及有色合金，2025，45（3）：390-396.

英文：WANG H Q，PENG F，XIANG W M，et al. Effects of scanning speed on microstructure and properties of SLMed Ti-6Al-4V alloy［J］. Special Casting & Nonferrous Alloys，2025，45（3）：390-396.

扩展阅读：欢迎登陆www.special-cast.com，阅读、下载、引用《特种铸造及有色合金》期刊上发表的论文。

编辑/排版：江姗

校对：刘晨辉

审核：张正贺

来源：特铸杂志