通过热循环处理改善L-PBF Ti-6Al-4V合金的机械性能，以形成α+α′双相结构

《Materials Science and Engineering: A》：Improving the mechanical performance of L-PBF Ti-6Al-4V alloy by thermal cycling for trimodal α+α′ structure formation

激光粉末床熔融制备的Ti-6Al-4V合金通过循环热处理形成异质三模态（α+α′）结构，其中αp相50%球状、50%片状分布，结合超细α′针状相，实现强度（1257 MPa）与塑性（15%）的协同提升，超越传统锻件性能。实验表明，αp相破碎由热蚀刻、边界分裂及马氏体针尖效应共同作用导致。

　　钛合金因其优异的物理和机械性能，广泛应用于航空、航天、生物医学等多个领域。其中，Ti-6Al-4V（钛-6铝-4钒）合金作为最具代表性的商业钛合金，因其高比强度、良好的耐腐蚀性、低弹性模量、易于加工以及优异的焊接性能而备受青睐。然而，随着现代制造技术的发展，特别是增材制造（Additive Manufacturing, AM）技术的兴起，传统加工方式如锻造、铸造、焊接等在制造钛合金半成品和复杂构件时面临着成本高、工艺复杂等问题。因此，研究如何通过后处理技术优化AM制造的钛合金性能，成为当前材料科学与工程领域的重要课题。

增材制造技术，尤其是激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion, L-PBF）技术，能够实现复杂结构的一次性成型，极大提升了制造效率和设计自由度。然而，L-PBF制造的钛合金通常具有特殊的微观结构，这主要源于其在熔融和凝固过程中经历的快速冷却。这种快速冷却会导致形成大量的针状α′马氏体，而α′马氏体由于其硬脆特性，会显著降低材料的塑性。此外，L-PBF制造的钛合金中还可能含有较大的β晶粒、化学成分不均匀、晶体取向不一致以及残余应力等问题，这些因素共同影响了其力学性能，使其在某些方面不如传统加工的钛合金。

为了改善这些性能缺陷，研究者们提出了多种后处理策略，其中热处理是最常见的手段之一。传统的热处理方法通常包括退火和时效处理，其目的是通过控制温度和冷却速率，调整材料的相组成和微观结构，从而优化其力学性能。例如，通过在α+β相区进行退火，可以降低残余应力并形成较为均匀的α+β结构。然而，这些方法往往难以在AM材料中实现理想的“强度-塑性”平衡。近年来，一些研究尝试通过引入新的热处理策略，如多阶段退火、固溶处理、时效处理等，来进一步优化AM钛合金的性能。

在本研究中，科学家们提出了一种特定的循环热处理（Cyclic Heat Treatment, CHT）方法，旨在通过多阶段的加热和冷却过程，形成一种异质的三元（α+α′）结构。这种结构由超细的α′马氏体针状晶粒和两种形态的α_p相（球状和层状）组成，其中50%的α_p相呈现球状形态，50%呈现层状形态。研究结果表明，这种特殊的微观结构显著提升了材料的强度和塑性，使其在某些方面甚至优于传统锻造的Ti-6Al-4V合金。具体而言，经过CHT处理的材料表现出1257 MPa的抗拉强度和15%的总延伸率，这一组合性能使得该材料在人体体温下仍能保持良好的机械稳定性，从而具备在个性化医疗领域应用的潜力。

研究还揭示了循环热处理对α_p板状晶粒断裂和球化过程的影响机制。通过分析热处理过程中发生的边界分裂和热沟壑效应，科学家们发现这些机制在α_p板状晶粒的断裂中起到了关键作用。此外，在淬火过程中，α′马氏体针状晶粒与α_p板状晶粒之间的相互作用也加速了α_p板状晶粒的断裂。通过优化加热和冷却循环的参数，研究人员能够有效控制α′马氏体的细化程度和α_p板状晶粒的断裂行为，从而形成理想的三元结构。

这一研究的创新点在于，它结合了现有技术中形成异质多模态结构的方法，同时引入了两相（α+α′）组成的调控策略。通过特定的循环热处理，研究人员不仅实现了对α_p板状晶粒的断裂和球化，还成功细化了α′马氏体，从而显著提升了材料的综合性能。此外，该研究还强调了热处理对AM钛合金微观结构的调控能力，为未来在个性化医疗、高性能结构件制造等领域应用AM钛合金提供了理论和技术支持。

在实验过程中，研究人员使用了L-PBF技术制造Ti-6Al-4V合金，并通过扫描电子显微镜（SEM）和能量色散光谱（EDS）分析了粉末的化学成分和微观结构。结果显示，L-PBF制造的Ti-6Al-4V粉末颗粒大小约为25±10 μm，具有一定的分布范围。经过不同热处理步骤后，材料的微观结构发生了显著变化，从原始的针状α′马氏体转变为包含α_p相和α′相的三元结构。通过进一步的退火和时效处理，研究人员能够调整不同相的形态和比例，从而实现对材料性能的优化。

值得注意的是，尽管已有研究表明通过调整相组成可以显著提升AM钛合金的塑性，但关于这些结构特征如何具体影响材料性能的研究仍较为有限。因此，本研究不仅关注于形成特定的微观结构，还深入探讨了这些结构变化对材料力学性能的影响。通过系统分析不同热处理条件下材料的微观结构演变和性能变化，研究人员揭示了循环热处理在调控AM钛合金性能方面的重要作用。

在应用层面，这种优化后的三元结构为AM钛合金在生物医学领域的应用提供了新的可能性。由于人体体温条件下α′马氏体仍然保持稳定，因此这种结构可以在植入物制造中展现出良好的性能。此外，通过循环热处理形成的三元结构还可能在其他需要高强高塑性能的工业领域中发挥重要作用，如航空航天、汽车制造等。

综上所述，本研究通过引入特定的循环热处理方法，成功形成了具有异质多模态特征的三元（α+α′）结构，显著提升了Ti-6Al-4V合金的综合性能。该方法不仅为AM钛合金的后处理提供了新的思路，也为相关领域的材料设计和性能优化奠定了基础。未来的研究可以进一步探索不同热处理参数对材料性能的具体影响，以及如何将这些优化策略应用于更广泛的AM钛合金体系中，以满足不同应用场景的需求。