激光增材制造鈦合金組織多以外延生長的柱狀晶為主，其內(nèi)部分布著板條狀的α相或針狀的馬氏體α′，性能呈高強(qiáng)低塑特性，且有明顯的各向異性。因此，激光增材制造鈦合金的成形件或修復(fù)件的綜合力學(xué)性能難以滿足使用要求。實(shí)現(xiàn)激光增材制造鈦合金組織晶粒等軸化是解決該問題的關(guān)鍵舉措。

　　西北工業(yè)大學(xué)陳靜教授課題組以我國自主研制的近α型鈦合金Ti60為研究對象，重點(diǎn)開展了基于粉末送進(jìn)的激光增材制造Ti60 鈦合金晶粒等軸化及室溫拉伸斷裂失效機(jī)制研究，揭示了該合金顯微組織演變規(guī)律及其對力學(xué)性能的影響機(jī)制，為激光增材制造Ti60 鈦合金的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和實(shí)踐依據(jù)。本期谷.專欄將分享這項(xiàng)研究的核心內(nèi)容。

　　這項(xiàng)研究通過調(diào)控工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)了具有近等軸β晶粒組織的Ti60（Ti-5.7Al-4.0Sn-3.5Zr-0.4Mo-0.4Si-0.4Nb-1.0Ta-0.05C）鈦合金的激光增材制造。建立了考慮多組元影響的Ti60鈦合金的CET曲線，并結(jié)合熔池凝固過程溫度場的數(shù)值模擬，揭示了近等軸晶組織的形成機(jī)理。提出凝固溫度區(qū)間??????相比生長抑制因子??能夠更好地預(yù)測不同種類鈦合金的等軸晶形成趨勢。激光增材制造近等軸晶Ti60合金的力學(xué)性能各向異性降低，沿沉積方向的α相尺寸變化是引起橫縱向試樣中室溫拉伸性能差異的主要原因。

　　論文亮點(diǎn)：

　　僅調(diào)控工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)了近等軸β晶粒組織Ti60鈦合金的激光增材制造

　　提出凝固溫度區(qū)間??????能夠更好地預(yù)測不同種類鈦合金的等軸晶形成趨勢

　　降低了激光增材制造Ti60合金的力學(xué)性能各向異性

圖文解析

　　l 近等軸β晶粒及晶內(nèi)亞結(jié)構(gòu)

　　激光增材制造Ti60鈦合金近等軸晶組織的主要特征是交替出現(xiàn)的短棒狀柱狀晶和細(xì)小等軸晶，柱狀晶的外延生長被限制在相鄰熔覆層之間，平均晶粒尺寸為80.3 μm。此外，激光增材制造過程中獨(dú)特的熱循環(huán)導(dǎo)致了層帶結(jié)構(gòu)的形成，且層帶結(jié)構(gòu)同時(shí)包含粗大的初始α板條和細(xì)小的二次α板條。

圖1 激光增材制造Ti60鈦合金的顯微組織

圖2 EBSD測試結(jié)果（a）及初始β晶粒的重構(gòu)（b）

　　l 室溫拉伸性能及斷裂失效機(jī)制

　　激光增材制造Ti60鈦合金橫向試樣和縱向試樣的室溫拉伸性能均達(dá)到鍛件標(biāo)準(zhǔn)，且前者的室溫拉伸性能優(yōu)于后者。近等軸晶組織顯著降低了激光增材制造Ti60鈦合金室溫拉伸強(qiáng)度的各向異性，但是塑性仍有較為明顯的差異。力學(xué)性能差異的主要原因是縱向試樣具有沿沉積方向的不均勻顯微組織（主要體現(xiàn)在α相尺寸），而橫向試樣的顯微組織相對均勻。

圖3 激光增材制造Ti60鈦合金的室溫拉伸性能

圖4 激光增材制造Ti60鈦合金沉積態(tài)試樣不同高度處α板條形貌：(a)底部；(b)中部；(c)頂部；(d)α板條寬度和維氏硬度之間的關(guān)系。

　　l 等軸β晶粒的形成機(jī)理

　　熔池凝固過程中，隨著凝固條件的改變，晶粒形態(tài)從底部的柱狀逐漸變?yōu)轫敳康牡容S狀。本研究所選擇的工藝參數(shù)可以很好的保留每層熔覆層頂部形成的等軸晶，從而有效的阻礙了柱狀晶的外延連續(xù)生長，進(jìn)而獲得近等軸組織。

圖5 （a）凝固過程中熔池不同位置的溫度場模擬情況；（b）溫度梯度