《Materials Science in Semiconductor Processing》：Fracture Toughness Enhancement in TC11 Titanium Alloy via Wire-fed L-DED: Role of α-Phase Morphology and Deformation Incompatibility
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钛合金增材制造中粉末与线材馈送工艺对微观结构和力学性能的影响研究。通过对比激光定向能量沉积（P-LDED与W-LDED）制备的TC11钛合金样品及其退火后的性能，发现线材馈送样品具有更粗大的α-Gb相和α-p相，通过裂纹偏转机制提升断裂韧性，但延展性降低。研究揭示了材料供给方式对激光增材制造过程及最终性能的调控机制。
施宇|赵一飞|杜浩|周阳|马荣|尚国强|刘新旺|严超志|史亚军
华中科技大学材料科学与工程学院材料成形与模具技术国家重点实验室，中国武汉430074
摘要
在增材制造过程中，材料尺寸效应对合金微观结构形成和机械性能的影响主要通过调控能量-质量传输行为来实现，但目前这一领域尚未得到充分研究。本研究首次采用粉末供给（P-LDED）和线材供给（W-LDED）激光定向能量沉积技术制备了TC11钛合金，并对其沉积态样品及其典型双退火处理后的样品的微观结构、变形机制和机械性能进行了分析。与沉积态P-LDED样品相比，W-LDED样品表现出较厚的晶内篮状织构、不均匀的应力分布以及较低的织构强度，这主要是由于W-LDED样品的形核率和密度较低所致。经过双退火处理后，W-LDED样品的强度和延展性均有所降低，但断裂韧性有所提高。延展性的降低归因于W-LDED样品中严重的变形不匹配现象，该现象加剧了应力集中。粗大的αGB相和较大的αp相通过促进裂纹偏转、形成连续的锯齿状扩展路径以及产生大量次级裂纹来提高韧性。本研究为材料供给方式对激光定向能量沉积（L-DED）工艺及最终性能的控制提供了基础性见解，并为特定应用中钛合金工艺的选择与优化建立了基于证据的标准和框架。
引言
钛合金因其出色的比强度、优异的耐腐蚀性和高温稳定性，在航空航天领域被广泛用作关键部件，例如飞机发动机压气机叶片和主要机身结构件[1]、[2]。然而，传统的制造工艺（如材料利用率低、生产周期长、模具成本高以及设计自由度受限）严重限制了钛合金在复杂几何形状结构或薄壁部件中的大规模应用。增材制造（AM），也称为3D打印，突破了传统制造工艺在材料使用和几何形状方面的限制。通过逐层沉积的方式，它实现了“设计即制造”，能够近乎精确地生产复杂部件，代表了现代制造技术的重要进步[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。
增材制造包括多种技术路线，主要区别在于能量源（如激光、电子束、电弧）和原材料供给形式（如粉末、线材）。激光粉末床熔融（L-PBF）、电子束熔化（EBM）、线弧增材制造（WAAM）、粉末供给激光定向能量沉积（P-LDED）和线材供给激光定向能量沉积（W-LDED）等工艺在能量密度、热输入、熔池动态、冷却速率、尺寸精度和沉积效率等方面存在显著差异[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。这些工艺之间的本质差异显著影响了合金的微观结构特性（如晶粒尺寸、形态和晶体织构）以及宏观性能[17]、[18]、[19]、[20]。例如，尚国强等人[21]的研究表明，具有超高冷却速率（约106 K/s）的L-PBF技术有效抑制了Ti-1Al-8V-5Fe钛合金中ω相的形成，使其具有优异的拉伸强度（约1100 MPa）和延展性（约9%）。因此，特定应用中对部件的性能要求必须与所选增材制造工艺的固有特性相匹配。深入理解工艺-微观结构-性能之间的相互关系对于实现钛合金增材制造部件的精确性能控制至关重要。
在各种金属增材制造工艺中，激光定向能量沉积（L-DED）在航空航天领域具有巨大潜力，它具有高沉积效率、较低的材料成本以及良好的层间结合性能和优异的机械性能[22]、[23]、[24]、[25]。然而，目前尚缺乏对激光定向能量沉积（L-DED）工艺中不同材料供给方式（粉末供给与线材供给）的系统比较研究。因此，本研究系统地探讨并比较了通过粉末供给（P-LDED）和线材供给（W-LDED）激光定向能量沉积制备的TC11钛合金的工艺特性、微观结构演变和机械性能。这不仅为材料供给方式对L-DED工艺及其性能的影响提供了基础性见解，更为重要的是，为特定应用条件下钛合金部件的工艺选择提供了基于证据的标准和优化框架。
增材制造
为了突出生产工艺的影响，分别使用成分几乎相同的TC11粉末/线材制备了宏观缺陷极少的样品（如孔隙和未熔合现象）。TC11粉末/线材的化学成分通过Agilent 5110和ONH836设备进行了检测，结果见表1。
P-LDED样品是在改进后的BLT-C1000设备（西安 Bright Laser Technologies有限公司）上制备的。我们之前的工作已经证明了...
相组成、微观结构和晶体织构
图1b展示了P-LDED和W-LDED TC11钛合金的XRD衍射图谱，表明在激光增材过程中快速凝固过程中形成了六方密排（HCP）和体心立方（BCC）结构。不同晶体平面之间的峰强度差异体现了打印样品的独特织构特征。图2显示了P-LDED打印样品的微观结构，其中粗大的柱状晶体...
结论
本研究详细探讨了通过粉末供给和线材供给激光定向能量沉积制备的TC11钛合金的工艺特性、微观结构演变和机械性能。主要结论如下：
(1)与沉积态P-LDED样品相比，W-LDED样品表现出较厚的晶内篮状织构、不均匀的应力分布以及较低的织构强度。这种现象可能归因于W-LDED样品中较慢的...
作者贡献声明
杜浩：数据可视化、监督、正式分析。尚国强：方法论、正式分析、概念构建。施宇：初稿撰写、软件开发、方法论、实验研究。赵一飞：监督、方法论、资金获取。史亚军：监督、正式分析。刘新旺：监督、资金获取、正式分析、概念构建。严超志：数据可视化、验证、正式分析
数据获取
数据可应要求提供。
利益冲突声明
作者声明不存在利益冲突。
致谢
作者感谢中国国家重点研发计划（2023YFB4605200）、中南工业大学固态成形加工国家重点实验室（项目编号SKLSP202401）以及国家自然科学基金（52371028）的财政支持。
