激光能量沉积过程中热循环调控对Ti-6Al-4V微观结构与相组成形成机制的影响

本研究针对增材制造中Ti-6Al-4V合金相组成调控难题，通过改变层间温度（interlayer temperature）策略，结合电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和膨胀仪（dilatometry）分析，揭示了β相分数动态变化规律及其对静动态性能的增强机制，为优化航空航天关键部件性能提供理论依据。

　　

钛合金Ti-6Al-4V因其高强度、耐腐蚀和生物相容性，成为航空航天和医疗植入体的明星材料。然而，传统制造工艺难以实现复杂构件的精密成型，而激光增材制造（Laser Additive Manufacturing）技术虽能突破几何限制，却面临相组成不均匀、力学性能波动大的核心挑战。尤其当层间温度（interlayer temperature）动态变化时，β→α相变路径的调控机制尚不明确，直接影响构件服役可靠性。

为破解这一难题，研究人员在《Materials Characterization》发表论文，系统研究了直接能量沉积（Direct Energy Deposition, DED）过程中热循环策略对Ti-6Al-4V相变路径的影响。通过设计不同层间温度沉积方案，结合多尺度表征手段，首次揭示了β相分数与热循环参数的定量关系，并阐明了其对材料强韧化的调控机制。

关键技术方法
研究采用同轴送粉式DED系统制备Ti-6Al-4V样品，通过调整激光功率和沉积间隔时间实现50-300℃层间温度梯度。利用扫描电子显微镜（SEM）观察α/β片层结构，电子背散射衍射（EBSD）分析晶体取向，X射线衍射（XRD）定量β相含量，膨胀仪记录相变动力学曲线。

研究结果

1. 微观结构演化规律
   SEM显示层间温度升至200℃时，β相晶粒尺寸增大35%，α片层间距缩小至0.5μm。EBSD证实高温沉积促进β相<110>择优取向，形成交叉编织的α/β拓扑结构。

2. 相变动力学特征
   XRD定量分析表明，当层间温度从50℃提升至250℃时，β相体积分数从12%增至28%。膨胀曲线出现双拐点，对应β→α′（马氏体）和α′→α+β两步相变，且高温沉积使第二阶段相变激活能降低18%。

3. 力学性能关联性
   纳米压痕测试显示，β相分数每增加1%，材料动态疲劳寿命延长7%。断口分析表明高温沉积样品中α/β界面处的裂纹偏转效应更显著，冲击韧性提升22%。

结论与意义
该研究建立了层间温度-β相分数-力学性能的三元调控模型，证明通过热循环策略可定向设计Ti-6Al-4V的α/β拓扑结构。其中200-250℃层间温度窗口能优化β相分布，使沉积态合金强度-韧性匹配度达到锻件水平。这一发现为航天发动机叶片等关键部件的性能定制提供了新范式，同时揭示了增材制造特有的非平衡相变序列（abrupt cyclic transformation）对材料强韧化的积极作用。