采用多阶段热处理工艺的增材制造Ti-6Al-4V合金环形部件的微观结构演变及耐腐蚀性研究

《Materials Chemistry and Physics》：Microstructural evolution and corrosion resistance of additively manufactured Ti-6Al-4V alloy annular shaped components using multistage heat treatment

Ti-6Al-4V合金通过多阶段热处理优化了微观结构和性能，研究发现热处理后形成球状α相、板条α相及二次针状α相，显著提高垂直/水平方向硬度（分别增加45.13%/41.11%），并在3.5% NaCl溶液中表现出腐蚀电流密度降低8.05×10?? A·cm?2的耐蚀性提升

　　Ti-6Al-4V合金因其优异的性能，在多个工业领域中得到了广泛应用。这种合金以其高比强度、良好的焊接性能、出色的耐腐蚀性以及卓越的生物相容性而著称，因此在船舶制造、航空航天和医疗行业等领域中占据重要地位。然而，传统制造工艺在生产效率、材料利用率和复杂结构成型方面存在一定的局限性，这促使研究者们探索更先进的制造技术，如增材制造（Additive Manufacturing, AM）。

增材制造技术，特别是线弧增材制造（Wire and Arc Additive Manufacturing, WAAM），为钛合金的生产提供了全新的解决方案。WAAM通过逐层沉积材料的方式，能够实现对复杂结构的高效制造，同时显著提高材料利用率。在WAAM工艺中，钛合金通常呈现出柱状晶结构，其中包含交错排列的α相板片，形成典型的篮纹结构。这种结构虽然在某些方面具有优势，但也可能导致材料性能的不均匀性，尤其是在冷却速率较快的情况下。

因此，对WAAM制备的钛合金进行后续的热处理，成为优化其性能的重要手段。热处理不仅能够改善材料的微观结构，还对硬度和耐腐蚀性等关键性能指标产生深远影响。本文提出了一种新型的多阶段热处理工艺，结合缓慢加热和冷却以及在接近β相变温度下的时效处理，旨在同时提升Ti-6Al-4V合金的硬度和耐腐蚀性。研究结果表明，在原始状态（as-built）下，Ti-6Al-4V合金的α相具有较高的长宽比，约为13.46，而在经过多阶段热处理后，α相的尺寸明显增大，长宽比降低至2.73。此外，从保留的β相中析出的针状次级α相也被观察到。

硬度测试结果显示，经过多阶段热处理后，垂直基底方向（V）和水平方向（H）的维氏硬度分别提高了45.13%和41.11%。这些数据表明，热处理显著改善了合金的硬度。同时，电化学腐蚀测试在3.5 wt.% NaCl溶液中进行，结果表明多阶段热处理（HT-3）在一定程度上提升了合金的耐腐蚀性。腐蚀电流密度从原始状态的8.3×10?? A·cm?2下降至8.05×10?? A·cm?2，表面坑的数量也有所减少，而阻抗模量则有所增加。这些变化表明，经过热处理后的合金在腐蚀环境中的表现更为稳定。

研究进一步揭示了多阶段热处理对钛合金微观结构的影响机制。在热处理过程中，β相的保留和α相的球化是关键的变化。这种变化不仅有助于提高材料的硬度，还能够改善其耐腐蚀性。通过热处理，材料中的α相和β相形成了更为平衡的分布，从而在一定程度上降低了腐蚀反应的速率。此外，研究还发现，α相的球化和次级α相的析出有助于提高材料的均匀性和整体性能。

本文的研究具有重要的理论和实际意义。首先，它为优化WAAM工艺及其后续热处理技术提供了新的思路和方法。通过调整热处理的温度和速率，可以有效地控制钛合金的微观结构，从而提升其机械性能和耐腐蚀性。其次，研究结果对于实际工程应用具有指导价值。例如，在船舶制造和航空航天领域，材料的高强度和耐腐蚀性是至关重要的，而本文提出的方法为这些领域的材料选择和加工提供了新的可能性。

在具体实施过程中，实验采用了1.2 mm直径的Ti-6Al-4V合金焊丝和250 mm × 50 mm × 4 mm的基底材料。实验设备包括冷金属转移（Cold Metal Transfer, CMT）焊接系统和六轴机械臂，以确保焊接过程的精确控制。热处理条件经过优化，旨在实现对微观结构的精细调控。研究还涉及了对不同热处理条件下的样品进行光学显微镜（OM）观察，以分析其微观结构的变化。

从研究结果来看，多阶段热处理不仅改善了Ti-6Al-4V合金的硬度，还对其耐腐蚀性产生了积极影响。这种综合性的性能提升对于实际应用来说是非常有价值的。尤其是在需要高强度和良好耐腐蚀性的工程领域，如海洋设备和航空航天部件，这种改进能够显著延长材料的使用寿命，降低维护成本。

此外，研究还探讨了不同热处理参数对合金性能的影响。例如，通过调整加热和冷却速率，可以控制α相和β相的形态和分布。这些调整不仅影响材料的硬度，还可能对耐腐蚀性产生不同的效果。因此，热处理参数的优化是提升钛合金性能的关键环节。

总的来说，本文通过系统的实验研究，揭示了多阶段热处理对Ti-6Al-4V合金微观结构和性能的影响。研究结果表明，这种热处理方法能够有效提升合金的硬度和耐腐蚀性，为未来钛合金的制造和应用提供了重要的理论支持和实践指导。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，以及如何在实际工程中更有效地应用这些方法。