增材制造钛合金微观结构与应变速率对其热机械行为的影响机制研究

本研究针对SLM（选择性激光熔化）成型的Ti-6Al-4V ELI（超低间隙元素）合金，通过STA（固溶时效）和BA（β退火）两种热处理工艺获得双态组织和网篮组织，系统探究了微观结构及应变速率（0.01 s-1和1 s-1）在550°C高温压缩下的协同作用。研究发现双态组织的屈服强度（724-740 MPa）较原始马氏体提升12-20%，且断裂机制呈现晶间裂纹与穿层断裂的差异，为航空航天关键部件的高温性能优化提供了理论依据。

　　

钛合金因其优异的比强度和生物相容性，在航空航天和医疗领域占据重要地位。传统铸造锻造工艺存在材料浪费大、复杂构件成型难等问题，而增材制造（AM）技术为钛合金构件带来了革命性突破。然而，SLM工艺超快冷却速率（10⁶ K/s）形成的α′马氏体虽强度高但脆性大，且高温服役环境下的应变速率敏感性机制尚不明确。

研究人员通过Gleeble-3800热模拟试验机，在550°C下对三种微观结构（原始马氏体、STA处理双态组织、BA处理网篮组织）开展0.01 s^-1和1 s^-1应变速率压缩实验，结合OM（光学显微镜）、SEM（扫描电镜）、TEM（透射电镜）和XRD（X射线衍射）多尺度表征，揭示了微观组织与应变速率的耦合作用规律。

样本制备
采用26-54 μm粒径的Ti-6Al-4V ELI粉末，在EOS设备中垂直打印试样，通过STA（955°C固溶+550°C时效）和BA（1050°Cβ相区退火）获得目标组织。

微观结构演变
原始态呈现α′马氏体针状结构（图4a），STA处理形成α_p（初生α相）与β转变基体的双态组织，BA处理则生成α/β层片状网篮组织。XRD证实STA样品中β相含量（8.3%）显著高于BA样品（4.1%）。

热机械响应
双态组织在0.01 s^-1和1 s^-1下的屈服强度分别达724 MPa和740 MPa，较原始态提升12-20%，且应变硬化率更高。网篮组织因连续α_GB（晶界α相）导致强度最低（422-438 MPa）。所有组织均出现绝热剪切带（ASB），但断裂机制差异显著：马氏体以微裂纹为主，双态组织沿α_p晶界开裂，网篮组织则混合晶间裂纹和穿层断裂（图7）。

结论与意义
该研究首次系统阐明了SLM钛合金经不同热处理后的高温变形机制：1）双态组织通过α_p相阻碍位错运动实现强度提升；2）网篮组织中α_GB的连续性成为裂纹萌生优先路径；3）应变速率升高加剧绝热温升效应，促进ASB形成。发表于《Journal of Alloys and Compounds》的这项成果，为定向设计增材制造钛合金的高温服役性能提供了关键理论支撑。