热循环条件下增材制造TA15钛合金中马氏体加速分解的微观机制与调控

针对激光粉末床熔融(L-PBF)钛合金因动态热历程导致马氏体分解缓慢、力学性能调控困难的问题，研究人员通过设计模拟L-PBF热循环的激光扫描策略，揭示了TA15合金中α′→α+β与α′→β→α+β两种加速分解路径，发现双晶界β稳定元素快速富集是分解速率提升的关键，为原位微观结构调控提供了新思路。

　　

钛合金因其高比强度、耐腐蚀等特性，在航空航天领域具有不可替代的地位。然而，传统制造技术难以加工复杂结构的钛合金部件，而新兴的激光粉末床熔融(L-PBF)技术虽能实现复杂构件快速成型，却因加工过程中剧烈的温度波动导致微观组织控制困难——高达10³-10⁵ °C/s的冷却速率会使熔池快速形成亚稳α′马氏体，这种组织虽具有高强度但塑性较差，通常需要后续长时间热处理才能分解为理想的α+β双相组织。更棘手的是，L-PBF过程中层间热积累可能引发β相在马氏体板条界非均匀析出，反而损害材料性能。如何在不影响成型效率的前提下实现马氏体快速分解，成为提升L-PBF钛合金性能的"卡脖子"难题。

针对这一挑战，中国的研究团队独辟蹊径，提出通过精确控制激光热循环来模拟L-PBF实际加工热历程的创新思路。他们以TA15钛合金（成分为Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V）为研究对象，采用BLT-S510设备制备全马氏体试样，通过设计不同功率（200-400W）、扫描速度（600-1200 mm/s）的激光扫描策略，结合红外热像仪与有限元模拟验证，在试样内部构建了从室温至1600°C的梯度温度场。研究发现，当热循环峰值温度低于β相变温度（约990°C）时，α′马氏体通过直接分解路径（α′→α+β）在5分钟内完成转变；而当峰值温度超过β相变温度并伴随缓慢冷却（<5°C/s）时，则经历α′→β→α+β的间接转变。通过电子背散射衍射(EBSD)和透射电镜(TEM)表征，团队首次观察到β稳定元素（Mo、V）在α′马氏体孪晶界处的快速偏聚现象，这为解释热循环条件下分解速率较传统退火提升近百倍提供了关键证据——连续的温度波动促使溶质原子沿晶体缺陷定向扩散，如同"原子高速公路"般加速了相变动力学。

研究主要采用三项关键技术：1）通过多参数激光扫描构建梯度热循环场，结合红外热成像与有限元模拟实现温度场精准调控；2）利用EBSD和TEM对α′/α/β相的晶体学取向与元素分布进行纳米尺度解析；3）基于同步辐射X射线衍射实时监测相变动力学过程。

【微观结构演化特征】
在未处理试样中观察到跨越数十层的柱状原始β晶粒（宽度约110μm，与舱口间距一致），其内部为典型针状α′马氏体。经300°C预热+激光扫描后，距表面200μm区域出现α板条（宽度80-120nm）与纳米β相（10-20nm）的交替层状组织，Vickers硬度从原始态425HV降至380HV，证实马氏体分解。

【相变路径调控机制】
当热循环峰值温度维持在α+β相区（800-950°C）时，EBSD显示新生α相与母相保持Burgers取向关系，符合扩散型相变特征；而在峰值温度达1200°C（β相区）的区域，α相呈现随机取向，且β相含量增加至15%，证实发生了β重结晶。

【加速分解动力学】
与传统850°C等温退火需4小时相比，热循环处理仅需5分钟即可完成分解。TEM观察到马氏体板条界处存在2-3nm厚的β相薄膜，能谱显示Mo含量高达8.2at%，是基体的3倍，表明界面偏聚降低了相变能垒。

这项发表于《Journal of Materials Science》的研究具有双重突破意义：理论上，首次通过实验证实热循环可通过降低扩散激活能加速重构型相变，完善了钛合金非平衡相变动力学模型；应用上，提出的"激光扫描热循环"策略可直接集成到现有L-PBF设备中，无需额外热处理工序即可实现组织性能调控，为开发新一代高性能增材制造钛合金提供了关键技术支撑。正如通讯作者Meng Wang强调的，该方法"像精准的微观结构雕刻刀"，有望推广至其他亚稳态合金体系的增材制造过程。