北航王华明院士丨激光定向沉积与锻造超高强度钛合金组织与性能的对比研究

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北航王华明院士

激光定向沉积与锻造超高强度钛合金组织与性能的对比研究

研究背景及目的

新一代先进飞机减重和技战术指标要求不断提高对1300MPa级超高强钛合金大型轻量化构件的需求日益提升，然而当前研究主要集中于TC4等中低强度钛合金，激光增材制造超高强钛合金仍面临严峻的强塑性匹配难题。本文对比研究了激光定向能量沉积（LDED）和锻造超高强钛合金TB18的组织和力学性能，定量表征了LDED钛合金的微观偏析演化规律，为增材制造高强钛合金性能优化提供指导。

论文链接:

https://doi.org/10.1016/j.cjmeam.2023.100064

论文亮点

①分析了LDED超高强钛合金逐层沉积过程中显微组织演化规律。

②采用WIRS方法对LDED样品的微观偏析定量表征，发现其微观偏析程度与锻造固溶态相当；

③对比研究了LDED与锻件的经相同固溶时效处理后的晶粒、显微组织与室温拉伸性能，分析了组织性能差异的原因，为优化增材制造钛合金强塑性匹配提供指导。

Graphic abstract

论文试验方法

采用LDED和锻造两种工艺分别制备TB18超高强钛合金Ti–4.5Al–5Mo–5V–6Cr–1Nb (Moeq=14.8) ，对LDED合金进行了500℃/4h, AC去应力退火用于组织性能测试。对LDED和锻造合金进行了870℃/2h, AC + 530℃/4 h, AC固溶时效处理，使用金相显微镜（OM）、扫描电镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）等方法对热处理前后显微组织进行了表征，并测试了室温拉伸性能，讨论了两种工艺组织性能差异的原因。使用weighted interval rank sort (WIRS) 方法对LDED沉积态不同区域和两种制备方式下合金固溶态的能谱（EDS）数据进行了微观偏析的分析。

论文结果分析

LDEDed TB18钛合金呈柱状晶与近等轴晶交替排列的混合原始β晶粒形貌，移动熔池在快速凝固过程中形成β单相组织，在后续逐层沉积过程中由于循环热影响作用会析出细小弥散分布的α相。

Figure 1 Grain morphology and microstructure of the three different zones (zones 1, 2, and 3) on the YOZ section of the LDED TB18 titanium alloy without stress-relieved annealing

LDED合金原始组织存在一定的偏析，但远低于平衡凝固（溶质再分配洗漱k→1）；经历20次热循环后，其偏析程度显著降低；在随后的固溶处理后，其微观偏析与锻造合金经历固溶处理后相当。

Figure 2 EDS data processed via WIRS method showing the microsegregation of the alloys: top layer (a), N-1 layer (b), N-20 layer (c), and solution-treated sample (d) of the LDEDed alloy; the wrought alloy (e); (f) segregation of Cr in different locations and samples; (g) fitted solute partition coefficients for the top layer and at equilibrium from the literature

LDED合金经历固溶时效热处理后，其组织为超细网篮，α板条为短棒状；锻造合金经历相同热处理后，组织为多尺度α的网篮组织，其α尺寸较LDED合金略大，且存在大量的晶界魏氏组织αWGB。经历固溶时效热处理后， LDED合金强度与锻造合金强度相当，各向异性降低，但塑性较差。前者变形方式主要为沿晶断裂。锻件良好的强塑性匹配与其多尺度α网篮组织和晶界魏氏组织αWGB有关。优化热处理工艺消除LDED样品的连续晶界α相是提高其强塑性匹配的关键。

Figure 3 Microstructure of the aged alloys: (a)–(c) LDEDed alloy and (d)–(f) wrought alloy

论文结论

1) LDEDed TB18合金呈交替柱状和等轴原始β晶粒；沉积态样品由上至下分为三个区域，微观组织由单一的β固溶体转变为α棒状条状组织，αGB析出。在热循环效应和固溶时效处理过程中，晶粒尺寸和形貌保持稳定。

2) LDEDed合金凝固速度快，偏析受到限制。经过20次热循环和固溶处理，偏析基本消除。

3) 经固溶和时效处理后，合金具有超细的篮织组织。然而，锻造合金中的α条是多尺度的，具有粗长α，而LDEDed合金中的α条是均匀的细短棒。此外，变形合金αWGB含量较高。两种合金之间的差异可以归因于KAM图中显示的位错密度。

4) 固溶时效处理后，LDEDed合金的抗拉强度有所提高，但塑性受到限制。断口为沿晶型，晶粒中有浅韧窝。热处理变形合金表现出较好的塑性，但强度与LDEDed处理合金相当。

前景与应用

本研究分析了激光增材制造超高强钛合金的组织与性能特点，为该类合金的组织优化和强塑性匹配提升提供了理论指导。

导。

团队带头人介绍

王华明，男，1962年生，中国工程院院士。现任北京航空航天大学教授、大型金属构件增材制造国家工程实验室主任、国防科技工业激光增材制造技术研究应用中心主任，兼任中国机械工程学会增材制造分会副主任委员，AMF副主编。长期从事大型金属构件增材制造和表面工程技术研究，带领团队突破钛合金、超高强度钢等高性能难加工金属大型复杂关键构件激光增材制造工艺、成套装备和工程应用关键技术，开拓机械装备严酷环境关键摩擦副零部件激光熔覆多元金属硅化物高温耐蚀耐磨特种涂层新领域，成果在飞机、火箭、导弹、卫星、航空发动机、燃气轮机等关键装备研制和生产中实现工程应用。发表SCI收录论文200余篇，获“国家技术发明一等奖”1项、部级科技一等奖3项。2015年获评中国工程院院士，先后获德国洪堡基金、国家杰出青年基金、教育部长江学者特聘教授、国防973首席、首批新世纪百千万人才工程国家级人选及教育部“跨世纪优秀人才培养计划”、首批“万人计划”科技创新领军人才、获全国“五一”劳动奖章、航空报国金奖一等奖、何梁何利科技进步奖、国防科技工业杰出人才奖、首届全国创新争先奖、全国杰出教学奖等荣誉。

团队研究方向

北京航空航天大学大型金属构件增材制造国家工程实验室长期致力于高性能金属增材制造研究领域，主要研究方向包括：金属高效高精度增材制造工艺与装备；高性能增材制造金属材料设计与强韧化理论；多材料/梯度结构等增材制造新结构与服役行为等。

近年团队发表文章

[1] Xu Z, Wang H, Tang H, et al. Microstructure, microsegregation and mechanical properties of directed energy deposited Ti-32Mo titanium alloy[J]. Journal of Materials Science, 2022, 57(26): 12540-12555.

[2] Yang J, Tang H, Li R, et al. Origin of aspect ratio decreasing and variant selection for alpha laths in laser directed energy deposited TC11-xB alloys: Spatial inhibition and selective coarsening in thermal cycle[J]. Materials Characterization, 2022, 193: 112330.

[3] Yan W-G, Wang H-M, Tang H-B, et al. Effect of Nd addition on microstructure and tensile properties of laser additive manufactured TC11 titanium alloy[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2022, 32(5): 1501-1512.

[4] 刘炳森, 张述泉, 张纪奎, et al. 层间冷却对激光增材制造TC17钛合金组织和拉伸性能的影响[J]. 中国激光, 2022, 49(14): 1402204.

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来源：增材制造硕博联盟

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首次发布时间：2023-03-30