采用氩气保护室辅助的WAAM-CMT技术制造Ti6Al4V合金，以防止氧化，并对其机械性能和冶金性能进行分析

《Journal of Alloys and Compounds》：Manufacturing of Ti6Al4V alloy using argon chamber assisted WAAM-CMT to avoid oxidation and analyses of mechanical and metallurgical properties

采用电弧增材制造-冷金属转移（WAAM-CMT）技术，在自建氩气保护室内制造Ti6Al4V合金块，对比开放环境下的性能。结果表明，氩气环境有效抑制氧化，改善微观结构均匀性，降低晶界曲率，减少层间孔隙，使纵向抗拉强度达1041 MPa，延伸率28.2%，冲击韧性92 J，优于传统锻造钛合金。XRD分析显示氩气环境无TiO2、Al2O3氧化物相。SEM观察显示氩气保护下为均匀韧性的杯状织构，而开放环境存在脆性氧化物夹层和微裂纹。提出氩气保护通过稳定熔池和抑制元素氧化，提升材料致密性和韧性。

　　钛合金，特别是Ti6Al4V，因其优异的物理和化学特性，被广泛应用于航空航天、汽车和生物医学设备等工业领域。Ti6Al4V具有高强度、低密度以及良好的耐腐蚀性能，这些特性使其成为制造轻质、高强度组件的理想材料。然而，在使用直接能量沉积（DED）技术进行增材制造（AM）过程中，Ti6Al4V合金容易发生氧化，这不仅影响材料的微观结构，还会显著降低其机械性能和使用寿命。因此，针对这一问题，研究者们不断探索有效的防氧化措施，以提升材料的性能和可靠性。

本研究的主要目标是通过设计和构建一个抗氧化腔室，实现对Ti6Al4V合金在WAAM-CMT（Wire Arc Additive Manufacturing-Cold Metal Transfer）过程中的全面保护，以减少氧化的发生。此外，研究还对在不同氧化环境下制造的Ti6Al4V块体进行了系统的冶金和机械性能分析，以评估氧化对材料特性的影响。

在第一阶段，研究团队设计并制造了一个抗氧化腔室，该腔室能够提供所需的氩气保护环境。第二阶段，通过WAAM-CMT技术，在腔室内制造了一部分Ti6Al4V块体，而另一部分则在开放空气中制造，以便对比分析不同环境对材料性能的影响。研究发现，氩气保护能够有效防止氧化，形成无缺陷的层间界面，具有细小和粗大的篮状组织，同时显示出高角度晶界比例和低的KAM（Kernel Average Misorientation）值，这些特征表明氧化得到了有效控制，没有出现氧化物如TiO?和Al?O?。

相比之下，开放空气中的Ti6Al4V合金在层间形成了硬而脆的氧化层，导致层间结合力下降，影响整体性能。特别是在层交界处，微硬度值最高，这是由于氧化导致的硬质α相和脆性结构。此外，由于底部焊珠经历了更多的热循环，其微硬度高于顶部焊珠。在机械性能方面，氩气保护的样品表现出更高的抗拉强度和韧性，其中纵向方向的性能尤为突出，这与层内断裂模式和良好的微观结构有关。开放空气环境下的样品则显示出混合的断裂模式，即脆性断裂和韧性断裂并存，这是由于氧化层的存在导致的。

为了深入理解氧化对材料性能的影响，研究团队对Ti6Al4V块体进行了多项测试和分析，包括宏观结构观察、显微组织分析、EBSD（电子背散射衍射）分析、XRD（X射线衍射）分析、微硬度测试、抗拉强度测试和冲击韧性测试。这些测试结果表明，氩气保护显著改善了Ti6Al4V合金的冶金和机械性能，减少了氧化导致的缺陷，并提高了材料的强度和韧性。此外，EBSD分析揭示了在氩气保护下，材料的晶粒尺寸更小，晶界分布更均匀，且高角度晶界比例更高，这表明材料的组织得到了优化，从而提升了其力学性能。

XRD分析进一步验证了氩气保护对氧化物形成的抑制作用，开放空气下的样品显示出TiO?和Al?O?等氧化物的存在，而氩气保护下的样品则没有这些氧化物。微硬度测试结果也表明，开放空气环境下的样品在层交界处表现出更高的硬度，这与氧化层的形成和脆性结构有关。而在氩气保护下，材料的硬度相对较低，但整体性能更稳定，这与材料的均匀微观结构和减少的氧化有关。

抗拉强度测试和冲击韧性测试的结果显示，氩气保护下的Ti6Al4V合金在纵向方向上表现出更高的抗拉强度和韧性。这可能与材料的细小微观结构和更均匀的晶粒分布有关。相比之下，开放空气环境下的样品在纵向方向上的性能较差，这与层间氧化和脆性断裂有关。此外，冲击韧性测试进一步表明，氩气保护能够有效提高材料的韧性，减少脆性断裂的发生。

综上所述，本研究通过设计抗氧化腔室和系统分析不同环境下的Ti6Al4V合金性能，揭示了氩气保护在减少氧化、优化微观结构和提升机械性能方面的重要性。这些发现不仅有助于提高Ti6Al4V合金在增材制造过程中的性能，也为未来在航空航天和其他高要求领域中使用WAAM-CMT技术提供了重要的参考和指导。