增材制造原位合金化调控：从熔池建模到钛钽合金的工艺开发与生物医学应用

这篇研究通过整合机器学习与解析建模，建立了激光粉末床熔融（LPBF）技术中钛钽（Ti-30Ta）合金的原位合金化工艺图谱，揭示了熔池模式与力学性能的定量关系。研究优化了工艺窗口，获得抗拉强度745.8 MPa、延伸率16.9%的优异性能，并通过同步辐射X射线衍射证实了正交晶系α″相主导的微观结构。该框架为多元合金体系的原位合金化增材制造（AM）提供了可迁移的方法论，推动了生物医用β-钛合金的开发。

　　

Highlight

本研究通过结合解析模型与机器学习，首次在激光粉末床熔融（LPBF）中建立了钛钽（Ti-30Ta）合金的原位合金化工艺图谱，将熔池形貌与力学性能定量关联。

Thermal model and single-track sample fabrication

采用经典的Eager-Tsai（E-T）模型预测熔池尺寸，该模型通过输入激光功率（P）、扫描速度（v）和材料热物性参数，高效计算熔池几何特征。单道实验验证了模型对Ti-30Ta体系的适用性，为工艺窗口划定奠定基础。

Indentation mapping for bulk samples

基于图3d的工艺图谱，选取缺熔（LoF）、球化、传导（CD）、匙孔（KH）、工艺窗口（PW）和烧损区域的典型参数制备块体样品。纳米压痕图谱显示，PW区域样品硬度分布均匀（标准差<5%），印证了合金成分的高度均一性。

Conclusions

该研究通过多尺度建模与实验验证，明确了熔池形貌-微观结构-力学性能的关联机制。Ti-30Ta样品在优化参数下展现出745.8 MPa的极限抗拉强度和16.9%的延伸率，同步辐射分析揭示其α″相主导的微观结构，为骨科植入物提供了兼具高强度与生物相容性的新材料解决方案。