采用粗金属丝作为原料的线弧定向能量沉积法制备亚稳态β合金Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al：微观结构与力学性能研究

《Materials & Design》：Wire-Arc directed energy deposition of Metastable-β alloy Ti-15?V-3Cr-3Sn-3Al using thick wire Feedstock: Microstructure and mechanical response

Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al合金通过等离子体定向能量沉积（P-waDED）制备，研究其固溶处理（ST）和时效处理（STA）后的力学性能及微观结构。发现STA条件下的材料抗拉强度>1150 MPa，断裂应变>6%，微观结构显示纳米级α相析出，显著提升强度。P-waDED工艺采用3mm厚焊丝，克服传统加工高成本问题，为航空钛合金增材制造提供新途径。

　　钛合金因其优异的强度、耐腐蚀性和轻量化特性，长期以来受到航空航天、海洋工程以及生物医学等领域的关注。Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al（简称Ti-15–3）作为一种亚稳态β相钛合金，因其在冷成形性和降低后续加工成本方面的优势，被广泛应用于航空制造中。然而，其在应用上的扩展仍受到材料配方成本高、加工窗口狭窄以及下游材料需求变化等因素的限制。本研究旨在探索一种新的制造路径，通过使用现有的粗直径（直径为3.0 mm）金属丝材料，结合等离子体辅助的电弧定向能量沉积（P-waDED）技术，以实现Ti-15–3的大规模组件制造，并评估其在增材制造过程中的机械性能和微观结构特征。

### 一、研究背景与意义

钛合金的加工性能和成本一直是其在工业应用中面临的主要挑战。传统上，钛合金的加工过程通常包括铸造、锻造、轧制等步骤，这些过程不仅耗费大量资源，还可能引入缺陷和残余应力，从而影响材料的最终性能。相比之下，增材制造（Additive Manufacturing, AM）技术能够通过逐层堆积的方式直接制造复杂结构，避免了传统工艺中的大量材料去除，从而显著降低了成本和资源消耗。然而，AM技术在钛合金中的应用仍面临诸多挑战，例如材料的微观结构控制、机械性能的优化以及热处理工艺的适配性。

Ti-15–3合金最初被开发用于提高冷成形性并降低后续加工成本，相较于传统的Ti-6Al-4V合金。尽管其在冷成形性和强度方面具有优势，但由于高配方成本和严格的加工条件，其在实际应用中的推广受到了限制。因此，探索一种经济高效的制造工艺对于推动Ti-15–3合金的广泛应用具有重要意义。

### 二、研究方法与材料处理

本研究采用等离子体辅助的电弧定向能量沉积（P-waDED）技术，利用直径为3.0 mm的Ti-15–3金属丝作为原材料。该工艺通过在受控的环境中逐层沉积材料，形成具有特定几何形状的结构。沉积过程中，采用氩气保护以减少氧化，同时确保材料的高质量。在沉积完成后，对样品进行了两种热处理方式：溶液处理（ST）和溶液处理后二次时效（STA）。ST用于溶解所有低温相并形成完全的亚稳态β相基体，而STA则通过较低温度的时效处理促进α相的析出，从而提高材料的强度。

为了全面评估Ti-15–3在P-waDED过程中的性能，采用了多种表征技术，包括光学显微镜（OLM）、扫描电子显微镜（SEM）与电子背散射衍射（EBSD）模块结合使用、透射电子显微镜（TEM）以及高能X射线衍射（HE-XRD）。这些技术用于分析样品的微观结构特征，包括晶粒尺寸、相组成以及变形机制等。同时，还进行了拉伸试验和维氏硬度测试，以评估材料的力学性能。

### 三、结果分析

在原始状态（AB）下，Ti-15–3合金的微观结构主要由β相基体构成，其中包含少量的α相颗粒（α_GB）分布在晶界处。在ST处理后，这些α相颗粒被完全溶解，形成均匀的β相基体。而在STA处理后，α相以细小的α条（α-laths）形式析出，与β相基体形成复合结构。这种析出过程显著提高了材料的强度，使其达到1150 MPa以上的抗拉强度，同时保持了超过6%的断裂伸长率。值得注意的是，仅在延展性方面表现出各向异性，而在强度方面则无明显差异。

拉伸试验结果显示，ST条件下的材料表现出持续软化行为，这与常规材料的应变硬化行为不同。这一现象可能是由于材料内部复杂的位错网络和残余应力所致。而STA条件下的材料则表现出预期的应变硬化，随后发生软化，表明其在变形过程中经历了更复杂的力学响应。

在断裂表面分析中，ST条件下的材料主要表现为穿晶断裂，伴有明显的韧性凹坑和微孔。而STA条件下的材料则显示出一定程度的沿晶断裂特征，表明其延展性有所降低，但仍然在可接受范围内。这些结果进一步支持了Ti-15–3在P-waDED工艺下的加工可行性。

### 四、讨论与机制分析

从微观结构的角度来看，Ti-15–3在ST条件下的β相基体表现出低角度晶界（LAGB）形成的特征，这可能是由于沉积过程中反复的热循环和冷却速率引起的。这些LAGB的形成有助于提高材料的强度，但同时也可能降低其延展性。而在STA条件下，α相的析出进一步强化了材料，但由于α相与β相之间的界面特性，材料的延展性有所下降。

拉伸行为的差异可能与材料内部的位错分布和晶界滑动有关。在ST条件下，由于β相基体的高密度位错，材料在变形过程中表现出持续软化，而STA条件下的材料则由于α相的析出，表现出更为复杂的变形机制。此外，研究还探讨了ω相的可能影响，尽管未在HE-XRD或TEM分析中检测到ω相，但其潜在的软化效应仍需进一步研究。

### 五、结论与未来展望

本研究通过P-waDED技术成功实现了Ti-15–3合金的增材制造，并验证了其在不同热处理条件下的机械性能。研究发现，使用3.0 mm的粗直径金属丝可以有效提高沉积效率，同时减少材料的预处理需求。ST条件下的材料表现出与传统加工材料相当的强度，而STA条件下的材料则通过α相的析出实现了更高的强度。尽管在延展性方面有所下降，但整体性能仍满足航空材料的标准要求。

此外，研究还发现，Ti-15–3在P-waDED工艺下的微观结构与传统工艺存在显著差异，这可能与其加工路径和热处理条件有关。通过使用粗直径金属丝，研究人员能够探索更广泛的合金适用范围，同时降低制造成本和环境影响。未来，进一步研究Ti-15–3在不同热处理条件下的微观结构演化及其对力学性能的影响，将有助于优化其在增材制造中的应用。此外，探索更高效的热处理方案以及材料配方优化，也将为Ti-15–3在航空航天和生物医学等领域的应用提供新的可能性。