西工大顶刊丨近等轴晶粒Ti60钛合金的激光增材制造及其组织和拉伸性能

来源： 增材制造硕博联盟

激光增材制造LAM钛合金的显微组织多以外延生长的柱状晶为主，性能呈高强低塑特性，且具有明显的各向异性，激光增材制造成形的钛合金零件或修复件其综合力学性能难满足使用要求。实现激光增材制造钛合金显微组织晶粒的等轴化是解决该问题的重要措施。

西北工业大学陈静教授团队以我国自主研制的近α型钛合金Ti60为研究对象，重点研究了基于送粉的激光直接能量沉积增材制造Ti60 钛合金晶粒等轴化及室温拉伸性能，揭示了增材制造Ti60 钛合金的显微组织演变规律及其对力学性能的影响机制，为其实际应用提供了理论基础和实践依据。相关研究成果已发表在JMST期刊上。

这项研究通过调控工艺参数实现了具有近等轴β晶粒组织的Ti60钛合金的激光增材制造。建立了考虑多组元影响的Ti60钛合金的CET曲线，并结合熔池凝固过程温度场的数值模拟，揭示了近等轴晶组织的形成机理。提出凝固温度区间𝛥𝑇𝑓相比生长抑制因子𝑄能够更好地预测不同种类钛合金的等轴晶形成趋势。激光增材制造近等轴晶Ti60合金的力学性能各向异性降低，沿沉积方向的α相尺寸变化是引起横纵向试样中室温拉伸性能差异的主要原因。

论文亮点如下：
仅仅通过调控加工工艺参数便实现了激光增材制造Ti60钛合金显微组织近等轴β晶粒;
提出凝固温度区间𝛥𝑇𝑓能更好预测不同钛合金的显微组织等轴趋势;
显著降低了Ti60钛合金激光增材制造的室温拉伸力学性能的各向异性

近等轴β晶粒及晶内亚结构
通过显微组织观察发现，激光增材制造Ti60钛合金近等轴晶组织的主要特征是交替出现的短棒状柱状晶和细小等轴晶，柱状晶的外延生长被限制在相邻熔覆层之间，平均晶粒尺寸为80.3 μm。此外，激光增材制造成形过程中独特的热循环特性使得层带结构的形成，且层带结构包含有粗大的初始α板条和细小的二次α板条。

激光增材制造Ti60钛合金的显微组织

EBSD测试结果（a）及初始β晶粒的重构（b）

室温拉伸性能及断裂机制
室温拉伸试验结果表明，激光增材制造成形的Ti60钛合金横向和纵向试样的室温拉伸性能均能达到锻件标准，且前者的室温拉伸性能更优于后者。并且近等轴晶显微组织显著降低了成形件的室温拉伸强度的各向异性，但是成形件的塑性仍有较为明显的差异。力学性能这种差异的主要原因是纵向试样具有沿沉积方向的不均匀显微组织（主要体现在α相尺寸），而横向试样的显微组织相对较为均匀。关注公众号: 增材制造硕博联盟，免费获取海量增材资料，聚焦增材制造研究与工程应用！

激光增材制造Ti60钛合金的室温拉伸性能

激光增材制造Ti60钛合金沉积态试样不同高度处α板条形貌：(a)底部；(b)中部；(c)顶部；(d)α板条宽度和维氏硬度之间的关系。

等轴β晶粒组织的形成机理
结合数值模拟研究，熔池熔化凝固过程中，晶粒从底部的柱状形态逐渐变为顶部的等轴状形态。本项研究中所选择的激光加工工艺参数可很好地保留每层沉积层顶部形成的等轴晶组织，从而能有效阻碍柱状晶组织的连续外延生长，获得较理想的近等轴晶显微组织。

（a）凝固过程中熔池不同位置的温度场模拟情况；（b）温度梯度𝐺和凝固速率𝑉随熔池局部深度𝑧(𝑧 = 0对应于表面)的变化规律；（c）激光增材制造Ti60钛合金近等轴晶粒组织形成示意图。

Ti60钛合金的CET曲线与熔池凝固不同时刻对应的凝固条件。

不同类型钛合金的凝固温度区间和生长抑制因子及其对应的晶粒特征。

总结与展望
这项研究基于激光增材制造LAM技术制备了具有近等轴晶粒组织的Ti60 (Ti-5.7Al-4.0Sn-3.5Zr-0.4Mo-0.4Si-0.4Nb-1.0Ta-0.05C) 钛合金，揭示了激光增材制造过程等轴晶的形成机理，并通过分析成分过冷区的特征参量高度𝛥𝑇𝐻和宽度𝛥𝑍，提出基于凝固温度区间来预测钛合金等轴晶形成趋势，发展了激光增材制造钛合金等轴β晶粒的调控方法，即通过实时改变增材制造过程中的激光加工工艺参数（例如激光功率、扫描速率等），控制熔覆层顶部形成的等轴晶组织以阻碍柱状晶的外延连续生长，进而获得近等轴晶显微组织。

论文DOI: 10.1016/j.jmst.2021.03.012