温州大学顶刊丨体能量密度对选区激光熔化TC4合金组织演变和力学性能的影响机制

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摘要

温州大学张健副教授团队与广东汉邦激光科技公司合作，在国际期刊《Journal of Alloys and Compounds》上发表研究，探讨了激光增材制造TC4合金时体积能量密度对材料微观结构和力学性能的影响。研究发现，通过调整激光体积能量密度，可以影响TC4合金的显微组织，包括α相、α′马氏体和纳米β相的析出和形态。降低体积能量密度有利于细化β晶粒，增强塑性，并导致延性断裂。该研究为优化激光增材制造工艺、提升TC4合金性能提供了理论依据。

正文

许多因素都会影响TC4合金在激光增材过程中的成形性，并且它们相互作用的影响是复杂的。对于成形性影响的本质在于熔池的能量输入。近日，温州大学机电工程学院张健副教授团队与广东汉邦激光科技有限公司合作在国际顶刊《Journal of Alloys and Compounds》发表最新研究成果 “Effect of volume energy density on microstructure and mechanical properties of TC4 alloy by selective laser melting”，以多个工艺参数耦合下的激光体积能量密度表征熔池能量输入，研究了体积能量密度对选区激光熔化增材制造TC4合金组织演变和力学性能的影响，并讨论了增材制造的断裂机理。

Graphical Abstract

研究结果表明，选区激光熔化（SLM）制备的TC4合金的显微组织由α相、亚稳α′相和少量等轴纳米β相组成；当TC4粉末被低体积能量密度照射时，出现纹理强度低和晶粒取向分布随机的细柱状β粒。同时，β晶粒内产生大量细针状马氏体α′相，但析出的纳米β相较少。在相同体积能量密度下，与增加激光功率相比，降低扫描速度会导致α′马氏体粗化，在马氏体边界析出更多的纳米β相。体积能量密度对伸长率（EL）影响较大，但对极限抗拉强度（UTS）影响不大，UTS可达1507 MPa。体积能量密度的降低有利于塑性的提高，主要归因于α/α′马氏体细化和纳米β相还原引起的变形协调能力增强。当体积能量密度为36 J/mm3时，细柱状β晶粒析出，在裂缝形态上呈现具有高密度凹坑的延性断裂。该研究建立了工艺、微观结构和性能之间的映射关系，为工艺、微观结构优化和性能改进提供了理论依据。

本论文主要亮点：1）以体积能量密度作为熔池的能量输入，探讨了SLM制备的TC4合金的显微组织演变规律；2）揭示了SLM制备的TC4合金构件的断裂机理；3）建立了工艺、微观结构和性能之间的映射关系。

图1. SLM制备的TC4合金在不同体积能量密度下的表面形貌和粗糙度（a）不同的激光功率;（b）扫描速度不同

图2. SLM制备的TC4合金在不同体积能量密度下的显微组织形貌（a-e）激光功率变化（f-j）扫描速度变化

图3. 样品P1、P5、V1和V5的SEM图像及其EDS表面扫描映射

该研究以多种工艺参数耦合下的激光体积能量密度表征SLM熔池的能量输入。研究了体积能量密度对TC4合金成形质量、组织和力学性能的影响，并探讨了TC4合金成形试样的断裂机理。主要研究结论如下：

(1) 随着体积能量密度的增加，样品的粗糙度先降低后增加。体积能量密度为52 J/mm3的样品粗糙度最小（~14 μm）。密度随体积能量密度的增加先增大后减小，当体积能量密度为40 J/mm3时密度达到99.8%。

(2) 降低体积能量密度容易获得细小的柱状β粒，织构强度降低，晶粒取向分布更加随机。同时，β晶粒内部生成大量细针状α'马氏体，α'马氏体中Al元素含量增加，V元素含量降低，但纳米β相析出减少。特别是在相同体积能量密度下，与增加激光功率相比，降低扫描速度更容易导致α′马氏体粗化，但在马氏体边界析出更多的纳米β相。

(3) 试样的显微硬度随着体积能量密度的降低而降低。体积能量密度对样品的UTS影响不大，UTS可达1507 MPa。然而，体积能量密度对样品的EL影响较大，降低体积能量密度有利于提高可塑性。当体积能量密度降低到36 J/mm3时，样品的断裂形貌呈现高密度凹陷，断裂机理为延性断裂。

(4) 随着体积能量密度的降低，柱状β晶粒宽度逐渐减小，α'马氏体的细化和β晶粒中纳米β相析出的减少提高了试样的塑性。

来源：增材制造硕博联盟

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首次发布时间：2024-05-03