激光增材制备亚稳态β钛合金的多尺度调控及强韧化机制

第53卷第1期表面技术2024年1月SURFACE TECHNOLOGY·15·激光增材制造钛合金微观组织和力学性能研究进展竺俊杰1，王优强1,2*，倪陈兵1,2，王雪兆1，刘德建1，房玉鑫1，李梦杰1（1.青岛理工大学，山东 青岛 266520；2.工业流体节能与污染控制教育部重点实验室，山东 青岛 266520）摘要：激光选区熔化（SLM）技术与激光熔化沉积（LMD）技术在航空航天、生物医疗等领域的应用具有巨大潜力，但由于成形的Ti6Al4V合金构件存在较差的表面质量、较大的残余应力以及内部孔洞等问题，影响了构件的力学性能，从而制约了其大规模的应用。

针对这一现状，首先概述了激光选区熔化技术与激光熔化沉积技术的制造原理，比较了2种增材制造技术的成形参数及其特点，并分析了2种不同成形技术的自身优势以及适用场合。

其次，从2种增材制造技术成形钛合金的工艺参数入手，综述了激光功率、扫描速度、激光扫描间距、铺粉厚度、粉床温度等参数对SLM工艺成形钛合金的影响，以及激光功率、扫描速度、送粉速率等参数对LMD工艺成形钛合金的影响。

发现成形工艺参数直接影响了粉末熔化程度、熔合质量和成形显微结构，从而影响成形件的组织与力学性能。

此外，综述了不同的扫描策略对两种增材制造技术成形钛合金的表面质量与力学性能的影响，可以发现在不同扫描策略下同一试样表面的不同区域表面质量、残余应力以及抗拉强度存在较大差异，同一扫描策略下试样的不同表面之间也存在各向异性。

最后，探讨了不同热处理工艺对钛合金微观组织和力学性能的影响，通过合适的热处理能够降低成形构件应力，并调控组织相变和性能。

关键词：激光选区熔化；激光熔化沉积；钛合金；微观组织；力学性能；热处理中图分类号：TG146.23 文献标志码：A 文章编号：1001-3660(2024)01-0015-18DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2024.01.002Research Progress on Microstructure and Mechanical Propertiesof Titanium Alloy by Laser Additive ManufacturingZHU Junjie1, WANG Youqiang1,2*, NI Chenbing1,2, WANG Xuezhao1,LIU Dejian1, FANG Yuxin1, LI Mengjie1(1. Qingdao University of Technology, Shandong Qingdao 266520, China;2. Key Lab of Industrial Fluid Energy Conservation and Pollution Control, Shandong Qingdao 266520, China)ABSTRACT: Selective laser melting (SLM) technology and laser melting deposition (LMD) technology are becoming收稿日期：2022-11-30；修订日期：2023-06-15Received：2022-11-30；Revised：2023-06-15基金项目：山东省自然科学基金（ZR2021ME063）Fund：The Natural Science Foundation of Shandong Province (ZR2021ME063)引文格式：竺俊杰, 王优强, 倪陈兵, 等. 激光增材制造钛合金微观组织和力学性能研究进展[J]. 表面技术, 2024, 53(1): 15-32.ZHU Junjie, WANG Youqiang, NI Chenbing, et al. Research Progress on Microstructure and Mechanical Properties of Titanium Alloy by Laser Additive Manufacturing[J]. Surface Technology, 2024, 53(1): 15-32.*通信作者（Corresponding author）·16·表面技术 2024年1月increasingly close to the properties of manufactured titanium alloys and forgings, which have great potential for applications in aerospace, biomedical and other fields. However, the poor surface quality, large residual stresses and the presence of internal holes in the formed Ti6Al4V alloy components affect the mechanical properties of the components, thus limiting their large-scale application. To address this situation, this work firstly outlined the manufacturing principles of selective laser melting and laser melting deposition, compared the forming parameters and characteristics of the two additive manufacturing technologies, and analyzed the advantages and applications of the two different forming technologies. Since the selective laser melting technique could adjust the thickness of the laying powder, a smaller laser spot diameter was chosen to improve the surface quality and dimensional accuracy of the formed components. The laser melting and deposition technology adopted coaxial powder feeding for faster processing and was more suitable for manufacturing medium to large metal parts.Secondly, the effects of laser power, scanning speed, laser scanning pitch, powder thickness and powder bed temperature on the forming of titanium alloys by SLM process and the effects of laser power, scanning speed and powder feeding rate on the forming of titanium alloys by LMD process were reviewed from the forming process parameters of the two additive manufacturing technologies, revealing the intrinsic effects of forming parameters, microstructure and mechanical properties in the additive manufacturing process. The direct parameters of the forming process were found to affect the degree of powder melting, fusion quality and forming microstructure, thus affecting the organization and mechanical properties of the formed parts. The effect of laser power and scanning speed on the forming process was more obvious than other factors, and there was a greater correlation between them, and a combination of lower laser power and higher scanning speed could be adopted to obtain specimens with higher microhardness. In addition, the effects of different scanning strategies on the surface quality and mechanical properties of titanium alloys formed by the two additive manufacturing techniques were reviewed, and it was found that the surface quality, residual stress and tensile strength of different regions of the same specimen surface under different scanning strategies differed significantly, and anisotropy existed between different surfaces of the specimen under the same scanning strategy. Finally, the effects of different heat treatment processes on the microstructure and mechanical properties of titanium alloys were investigated, and suitable heat treatments could reduce the stresses and regulate the phase changes and properties of formed components. Two heat treatments, annealing and solution aging, can be combined to balance the strength and plasticity of the component. To summarize the research development of these two additive manufacturing technologies, it is necessary to accelerate the establishment of a complete system of methods under the forming process and forming environment, and to promote the research on the mechanism of microstructure evolution and macro mechanical properties influence.KEY WORDS: selective laser melting; laser melting deposition; titanium alloy; microstructure; mechanical properties; heat treatment由于钛合金有着比强度较高、生物相容性较好以及耐腐蚀性能好的优势，因此在全球范围内广泛应用于生物医疗与航空领域[1-2]。

结题报告：原子尺度连续调控钛合金bcc-hcp结构转变及其强化机制研究一、引言钛合金由于其优异的综合性能，如高强度、高耐蚀性、良好的生物相容性等，在航空航天、医疗、能源等多个领域具有广泛的应用前景。

在钛合金的晶体结构中，钛原子的长程有序排列主要表现为体心四方结构（B2）和面心立方结构（FCC，hcp）两种，其中fcc结构在高温下占据优势，而在低温下会转变为hcp结构。

因此，精确调控钛合金bcc-hcp结构转变行为对于优化其性能具有重要意义。

二、研究方法与过程本研究采用原位表征手段，包括透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射仪（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）等，对钛合金在不同温度下的结构和形貌进行了连续观察和测量。

同时，我们通过改变合金元素的种类和含量，实现了对钛合金bcc-hcp结构转变的原子尺度连续调控。

具体实验过程如下：1. 在不同温度下对钛合金进行加热和冷却处理，并实时监测其结构和形貌的变化。

2. 在原位表征的基础上，对钛合金进行组织和成分分析。

3. 通过改变合金元素的种类和含量，探索影响bcc-hcp结构转变的因素。

三、主要结果与结论研究发现，通过调整合金元素的种类和含量，可以实现对钛合金bcc-hcp结构转变的原子尺度连续调控。

这种调控不仅影响钛合金的力学性能，如强度和韧性，还对其耐蚀性和生物相容性产生重要影响。

本研究揭示了钛合金bcc-hcp结构转变的强化机制。

在fcc结构向hcp结构转变的过程中，由于位错密度降低和相变强化效应，钛合金的强度得到显著提高。

同时，我们发现这种强化机制具有可逆性，即在高温下hcp结构可以向fcc结构转变，这一过程伴随着塑性变形强化的发生。

本研究为优化钛合金性能提供了新的思路和方法。

未来，我们将进一步研究不同合金元素之间的协同作用，以及bcc-hcp结构转变对钛合金耐蚀性和生物相容性的影响，为钛合金的实际应用提供理论依据和技术支持。

四、展望本研究取得了一定的成果，但仍有许多问题需要进一步探讨。

高强亚稳β钛合金的变形损伤行为研究现状
朱辰哲;付秀丽;王立群;袁丕琪;门秀花
【期刊名称】《制造技术与机床》
【年(卷),期】2024()3
【摘要】亚稳β钛合金具有密度小、比强度高、可塑性好以及优良的耐腐蚀等力学和物理学性能,已经广泛应用在航空航天、生物医学和石油化工等领域。

为实现对新一代高强度、高塑性钛合金的研发与应用,必须明确亚稳β钛合金力学性能与其变形损伤行为之间的联系。

文章分析了亚稳β钛合金在变形损伤过程中的组织演变,概述了亚稳β钛合金的各种变形行为及各变形之间的联系,总结了不同的变形行为影响下对亚稳β合金力学性能的提升;然后阐述了亚稳β钛合金在动载荷下的损伤行为及其内部的组织演变,探讨了微观损伤对合金强化与失效之间的联系,以期对新型钛合金的研发与优化提出新见解。

【总页数】9页(P76-84)
【作者】朱辰哲;付秀丽;王立群;袁丕琪;门秀花
【作者单位】济南大学机械工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TG146.2
【相关文献】
1.高应变速率下两种损伤容限型钛合金的动态压缩变形行为
2.钛合金穿甲侵彻损伤行为研究现状
3.新型亚稳β钛合金Ti2448的温变形行为及本构模型
4.不同组织
Ti6321钛合金在低温高应变速率下的变形和断裂行为5.Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo钛合金在低温高应变速率下的变形行为
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激光增材制造高性能钛合金的组织调控与各向异性研究进展张安峰;张金智;张晓星;王宏;霍浩;齐振佳;王豫跃【摘要】激光增材制造技术(Laser Additive Manufacturing,LAM)是一种实现零件精确成形和高性能成性一体化制造的先进技术.首先介绍了两种典型激光增材制造技术的成形原理及其特点;然后重点介绍了西安交通大学在高性能钛合金激光增材制造组织调控和各向异性方面的研究进展:① 硼变质对激光增材制造TC4零件的组织调控和各向异性的影响;② 硅变质对感应加热辅助激光增材制造TC4微观组织的影响;③ 超声冲锻对激光增材制造TC4零件的组织调控和各向异性的影响.最后阐述了激光增材制造技术所面临的挑战与任务.【期刊名称】《精密成形工程》【年(卷),期】2019(011)004【总页数】8页(P1-8)【关键词】高性能;激光增材制造;研究进展;各向异性【作者】张安峰;张金智;张晓星;王宏;霍浩;齐振佳;王豫跃【作者单位】西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室,西安 710049;西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室,西安 710049;西安交通大学金属材料强度国家重点实验室,西安 710049;西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室,西安 710049;西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室,西安 710049;西安交通大学金属材料强度国家重点实验室,西安 710049;西安交通大学金属材料强度国家重点实验室,西安 710049【正文语种】中文【中图分类】TG115.21钛合金由于具有比强度高、耐热性好、耐腐蚀性好等特点，成为航空零件制造的首选材料之一[1]，用于制造航空发动机的风扇叶片以及飞机结构中的梁、缘条、接头和隔框等重要承力构件。

近年来，航空工业为减轻飞机和飞行器结构重量，同时要保证装备性能，对高强度、低密度材料的需求与日俱增。

在民用飞机方面，波音公司从757 到777 钛合金用量由6%增长到7%，空客公司从A320 到A340 的钛合金用量由4.5%增长到6%，而且新一代的波音787 中使用的钛合金已达到15%。

高强β钛合金的发展现状与强化方法
周宗熠;相志磊;马小昭;申高亮;韩竟俞;陈子勇
【期刊名称】《北京工业大学学报》
【年(卷),期】2024(50)5
【摘要】钛合金是比强度最高的金属材料之一,广泛应用在航空航天领域。

随着材料技术的进步,人们对高强钛合金的研究与开发也逐渐深入。

综述了国内外高强β
钛合金的发展现状与主要的强化方式。

重点介绍了Ti-13-11-3、Ti-l023、Ti-5553以及Ti-55531等典型高强钛β合金。

梳理了高强β钛合金的设计思路,指出了限制高强β钛合金向更优性能发展的瓶颈并提出了可能的解决途径。

总结了固
溶强化、析出强化、加工硬化、细晶强化以及增材技术等高强β钛合金的强化方法,以期为进一步提高高强β钛合金的强度、优化高强β钛合金综合性能提供指导。

【总页数】12页(P620-631)
【作者】周宗熠;相志磊;马小昭;申高亮;韩竟俞;陈子勇
【作者单位】北京工业大学材料与制造学部;中国航空制造技术研究院
【正文语种】中文
【中图分类】TG146.2
【相关文献】
1.高强高导铜合金的强化方法研究现状及展望
2.高强β钛合金的研究现状与发展
趋势3.高强度汽车齿轮表面强化技术的研究现状和发展趋势4.高强度铸造钛合金
的发展现状及前景5.钛合金超声冲击强化研究现状及发展趋势
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专利名称：一种对稳定Beta钛合金进行强韧化处理的工艺专利类型：发明专利
发明人：王启,叶苗,桑彪,王晓,韩汶武,李乐
申请号：CN201910286150.6
申请日：20190410
公开号：CN109825787A
公开日：
20190531
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种对稳定Beta钛合金进行强韧化处理的工艺，该工艺采用预扭转变形和时效处理来制备出梯度组织结构稳定Beta钛合金，使其强度从表面到心部呈梯度分布，进而同时获得高的强度和韧性。

申请人：黄淮学院
地址：463000 河南省驻马店市驿城区开源路6号
国籍：CN
代理机构：北京科家知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：陈娟
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专利名称：一种高强度高韧性亚稳态β钛合金及其制备方法专利类型：发明专利
发明人：张金钰,张崇乐,包翔云,刘刚,孙军
申请号：CN202011026834.1
申请日：20200925
公开号：CN112251632A
公开日：
20210122
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种高强度高韧性亚稳态β钛合金及其制备方法，该Ti‑Al‑Mo‑V‑Cr‑Zr亚稳态β钛合金其组分的重量百分比为：包括4.5～5.5％的Al，6.5～9.0％的Mo，1～4％的V，1.5～4％的Cr，1～2.5％的Zr，余量为Ti及其它一些不可避免的杂质。

本发明合金经过熔炼、热轧以及热处理后可获得强度与塑性的良好匹配。

本发明将V元素进一步降低到3.5％左右，并加入较为廉价的Cr元素，可以一定程度上降低成本。

同时，一定量的Cr、Mo元素的加入用以强化β基体，提升多元合金的固溶强化效果。

本发明将合金屈服强度提升至1518MPa，同时兼具5.3％的断裂总延伸率，因此满足新一代高强高韧钛合金的需求。

申请人：西安交通大学
地址：710049 陕西省西安市咸宁西路28号
国籍：CN
代理机构：西安通大专利代理有限责任公司
代理人：马贵香
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专利名称：一种实现激光增材制造钛合金β晶粒调控的方法专利类型：发明专利
发明人：李聪,陈荐,邱玮,李微,何建军
申请号：CN201810621264.7
申请日：20180615
公开号：CN108480640A
公开日：
20180904
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种实现激光增材制造钛合金β晶粒调控的方法。

首先对激光增材制造工艺窗口初步优化并获得优化工艺参数，在该优化工艺窗口下，对熔池温度场进行计算；提取熔池温度梯度G及冷却速率ξ，并计算出G/ξ值；根据以下准则判断β晶的组织形态：当3×10≤ξ≤10℃/s且
G/ξ≤1.2×10℃s/m时为等轴晶，当ξ≤3×10℃/s且G/ξ≥3×10℃s/m时为柱状晶；并获得等轴状β晶粒和柱状β晶粒的主要工艺参数区间；最后，选择相应的工艺参数进行激光增材制造，获得β晶形态受控的成形零件。

本发明通过熔池温度场模拟与凝固理论结合，实现β晶晶粒形态的调控，能有效提高成形件力学性能。

申请人：长沙理工大学
地址：410000 湖南省长沙市天心区赤岭路45号
国籍：CN
代理机构：广州市红荔专利代理有限公司
代理人：吝秀梅
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