电弧定向能量沉积高性能近β型Ti-10V-2Fe-3Al合金的微观结构与变形行为研究

为解决航空结构件传统锻造工艺能耗高、工序复杂的问题，研究人员采用电弧定向能量沉积(waDED)技术制备Ti-10V-2Fe-3Al合金，通过光学显微镜、电子背散射衍射(EBSD)和高能X射线衍射(HE-XRD)分析发现，经固溶时效处理(STA)后材料呈现双峰组织，屈服强度达960 MPa以上，断裂应变约3%，证实应力诱导马氏体转变辅助塑性变形，为航空航天轻量化构件制造提供新方案。

　　

在航空工业中，高强轻质的钛合金始终是起落架等关键部件的首选材料。传统Ti-10V-2Fe-3Al合金依赖多道次锻造和热处理，不仅能耗高，还面临温度敏感性导致的工艺控制难题。随着增材制造技术的发展，电弧定向能量沉积(wire-arc directed energy deposition, waDED)因其材料利用率高、设计自由度大等优势，为钛合金制造开辟了新路径。然而，近β型钛合金在waDED工艺中的组织演变规律和力学行为尚不明确，这成为制约该技术工程应用的关键瓶颈。

奥地利莱奥本矿业大学的研究团队在《Materials Science and Engineering: A》发表的研究中，采用冷金属过渡(Cold Metal Transfer, CMT)技术沉积Ti-10V-2Fe-3Al合金，通过固溶处理(solution treatment, ST)和时效处理(STA)调控微观组织，结合多尺度表征手段揭示了材料变形机制。研究主要运用光学显微镜(OLM)分析晶粒形貌，扫描电镜(SEM)观察α/β相分布，电子背散射衍射(EBSD)定位相变区域，高能X射线衍射(HE-XRD)定量相组成，并通过原子模拟计算相变能垒。

材料表征显示，沉积态组织由平均尺寸778 μm的原始β晶粒和嵌入的α片层组成，Fe元素的存在使晶粒尺寸较Ti-6Al-4V更细小。经STA处理后形成双峰组织：μm级初生α相与nm级次生α相共存，β相含量从60 wt%降至35.3 wt%，硬度提升至347 HV_0.1。

力学性能测试表明STA态材料呈现优异强度（屈服强度961.5 MPa，抗拉强度1038 MPa），但断裂应变降至2.8%。各向异性分析发现垂直方向的断裂应变（6.4%）显著高于水平方向（3.5%），这归因于柱状晶生长导致的取向效应。

变形现象的EBSD分析揭示，ST条件试样在断裂区出现β→α′马氏体转变（α相含量从40%增至52%），而STA试样相变程度较弱。原子模拟证实，V、Fe合金化降低了β相稳定性，使相变能垒减少至0.15 eV/atom，与Morinaga理论预测的应力诱导马氏体形成区吻合。

该研究首次系统阐明了waDED制备Ti-10V-2Fe-3Al合金的"工艺-组织-性能"关系，突破性地发现局部应力诱导相变对塑性变形的贡献。通过CMT技术实现2.21 kg/h的高沉积速率，相比传统锻造显著提升生产效率。研究为航空结构件低成本增材制造提供理论依据，其中关于β稳定元素调控相变动力学的发现，对开发新型变形机制协同强化的钛合金具有重要指导意义。