激光功率调控LPBF成形Ti-6Al-4V合金薄板激光焊接接头：α′马氏体演化、孔隙缺陷与优于母材的拉伸强度

《Journal of Materials Research and Technology》：Investigation on the laser welding of laser powder-bed fusion (LPBF) fabricated Ti-6Al-4V alloy: Microstructure, defects and mechanical property

　　

经过多年研究，激光粉末床熔融（laser powder-bed fusion, LPBF）已发展为一种高精度增材制造（additive manufacturing, AM）方法，因而在飞机部件制造中得到相当程度的应用。然而，由于LPBF技术必须在高浓度惰性气体气氛中进行，构件尺寸显著受密封箱尺寸限制。尽管已有米级LPBF设备的报道，但其高效制造仍具挑战。在该研究中，研究人员采用激光焊接连接LPBF制备的Ti-6Al-4V合金薄板（2.5 mm厚）。针对晶粒结构和不可避免的孔隙缺陷，系统研究了激光功率的影响。目标是获得力学性能良好且强于母材（base metal, BM）的焊接接头。所得结果表明，提高激光功率会增大晶粒尺寸，并促进细小针状α′马氏体（α′ martensite）向粗大α′马氏体转变，但会增加孔隙率（porosity）。拉伸试验表明，当激光功率为1750 W时，激光焊接接头的极限抗拉强度（ultimate tensile strength, UTS）达到1084.7 MPa，此时试样断裂于母材而非焊缝区（weld zone, WZ）或热影响区（heat-affected zone, HAZ）。该研究的意义有两方面：一方面，为LPBF技术突破成形构件尺寸限制提供创新途径；另一方面，阐明激光功率如何在多方面影响焊接接头。

研究背景与问题：激光粉末床熔融（laser powder-bed fusion, LPBF）作为高精度增材制造（additive manufacturing, AM）技术，已应用于飞机部件制造。Ti-6Al-4V合金具有高强度和低密度优势，但传统加工困难且显著消耗铣刀，LPBF可提高钛合金零件制造效率；然而LPBF需在高浓度惰性气体密闭腔中进行，构件尺寸受设备腔室容量限制，扩大腔室不仅成本显著增加，也降低质量控制可靠性。因此，将LPBF成形件进一步焊接以连接大尺寸构件被提出。钛合金常用钨极气体保护焊、熔化极气体保护焊、电子束焊和激光焊接，其中激光焊接具有热输入低、变形控制好和效率高等优势，且与LPBF同属激光加工。已有 Liu et al. 比较轧制态与LPBF态Ti-6Al-4V合金激光焊接接头，发现焊缝区孔隙降低接头力学性能并使WZ成为拉伸试样最薄弱区域；Liu et al. 研究LPBF与激光定向能量沉积（directed energy deposition, DED）Ti-6Al-4V合金焊接，不同激光功率下断裂位于WZ和近DED区HAZ，接头强度分别为DED件的96%和LPBF件的86%。因此，需降低甚至消除孔隙，并保证WZ和HAZ强度高于母材；激光功率直接影响熔深、熔宽和焊缝表面形貌，过低或过高均会增加孔隙，钛合金高熔点、低导热更需精确控制。该研究采用激光焊接连接2.5 mm厚LPBF成形Ti-6Al-4V合金薄板，系统研究1750、1900和2050 W下晶粒结构与孔隙缺陷，表征组织、定量孔隙数量/球形度/形貌并进行力学测试，讨论孔隙形成及组织-性能关系，目标获得强于母材的焊接接头，并为LPBF突破构件尺寸限制提供途径、阐明激光功率影响。

方法概述（不超过250字）：Ti-6Al-4V粉末由COMAC Shanghai Aircraft Manufacturing Co., Ltd.提供，采用等离子旋转电极雾化（plasma rotating electrode-comminuting process, PREP）制备，粒径12～53 μm、平均24.20 μm；LPBF使用Hanbang? HDB-150，99.99% Ar保护、O<200 ppm，参数为180 W、1000 mm/s、0.1 mm、30 μm，母材尺寸100 mm×40 mm×2.5 mm。激光焊接采用FAUNC? Robot M-710iC50、Raycus? RFL-C6000光纤激光和Wobble Welding?焊枪，对接，Ar流量25 L/min，功率1750/1900/2050 W，离焦0.4 mm、光斑0.75 mm、速度5.5 m/min。用光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）/能谱（EDS）、电子背散射衍射（EBSD）、透射电子显微镜（TEM）/选区电子衍射（SAED）表征；Vickers显微硬度500 gf、间隔500 μm、15 s；拉伸采用Shape 1和Shape 2，位移速率0.5 mm/min，每参数3件；用X射线和micro-CT检测缺陷。

研究结果：3.1 母材与焊接接头组织：通过OM、SEM和EBSD观察，LPBF母材存在未熔合（lack of fusion, LOF）和孔隙，呈非均匀细长柱状晶，含大量针状α′马氏体，由99.6% α相和0.4% β相组成，平均晶粒尺寸1.01 μm，{0001}晶面织构强度16.27 mud。焊接接头由WZ、HAZ和母材组成，两侧组织对称，WZ呈典型沙漏形全熔透特征并可形成单面焊双面成形；WZ宽度随激光功率增加而增大。WZ主要由不同尺寸粗大β柱状晶和少量等轴晶组成，HAZ以等轴晶为主并含少量柱状晶，晶粒较WZ细；WZ和HAZ的β晶粒尺寸随功率增加而增大。

3.2 WZ孔隙：通过X射线检测发现，可见孔大于210 μm，多数分布于WZ的1/3分界线附近，中部较少；1750、1900和2050 W下可见孔数分别为25、31和52。micro-CT显示，随功率增加，孔数由68增至163再至187，平均等效直径由142.47 μm增至144.22 μm再至153.03 μm，最大等效直径由262.05 μm增至376.83 μm再至629.46 μm，孔隙率由0.14%增至0.30%再至0.67%；平均球形度分别为0.988、0.952和0.974，无明显规律。孔多呈孤立状态，少量聚集；孔聚集合并降低球形度，并在表面张力作用下趋于球形，功率增加延长熔池寿命并促进孔长大。

3.3 WZ组织：通过SEM、EBSD、TEM、SAED和EDS分析，WZ为针状α′马氏体构成的篮网状组织，由99.9% α相和0.1% β相组成；随功率增加，平均晶粒尺寸略增、长宽比降低，细针状α′向粗针状α′转变。α′平均宽度由231.8±42.3 nm增至378.9±30.4 nm再至787.1±53.2 nm，晶界由清晰平直变为模糊且平直度降低；各功率下均见位错线/位错缠结，1750 W见大量孪晶。SAED显示α′晶粒具{0001}等类型，2050 W可索引β相；晶格常数a和c随热输入增加而降低，V原子在晶界富集，促进过饱和α′分解为平衡α相和β相并释放晶格畸变。WZ以{0001}基面织构为主，织构强度随功率增加而提高，且功率提高增强α′取向多样性；β向α′转变遵循Burgers取向关系。

3.4 焊接接头力学性能：通过显微硬度和拉伸试验获得，1750 W下母材、HAZ和WZ平均显微硬度分别为376.7、385.7和396.5 HV；1900 W分别为376.0、373.8和384.4 HV；2050 W分别为376.3、373.4和373.2 HV，WZ和HAZ显微硬度随功率增加略降。Shape 1试样中，1750 W接头断裂于母材，屈服强度（yield strength, YS）965.4±7.2 MPa、UTS 1070.3±9.0 MPa、延伸率6.6%；1900 W和2050 W断裂于WZ。Shape 2用于测定WZ强度，1750 W下YS 973.5±8.5 MPa、UTS 1084.7±8.7 MPa、延伸率8.7%，说明WZ强度高于母材；1900 W下UTS 1049.3±6.5 MPa、延伸率9.4%；2050 W下UTS 964.2±8.3 MPa、延伸率8.0%。屈服强度与晶粒尺寸总体符合Hall-Petch关系但存在偏离，说明WZ强度还受其他强化机制影响。断口观察表明，1750 W裂纹自熔合线向WZ扩展，以沿晶断裂为主并伴少量撕裂棱；1900 W裂纹自孔隙起裂，断口见变形孔、未变形孔和少量韧窝；2050 W裂纹完全起源于WZ，可见粗大α′和撕裂棱，组织退化对性能的不利影响超过孔隙影响。

讨论总结：4.1 孔隙形成过程：母材固有LOF和孔隙可在熔池中聚集长大；深熔焊小孔长度超过其截面周长时发生周期性颈缩和膨胀，塌陷脱离形成气泡；表面氧化物或杂质水分中的氢在高温分解并溶入液态金属，凝固时形成氢孔。孔多偏离WZ中心，与氢溶解度随温度降低、中心高温使氢向边缘扩散及凝固时溶解度骤降有关；功率增加使熔化金属量增加、卷入更多母材缺陷，延长高温停留并促进氢孔形核和长大，导致孔隙率增加。4.2 孔隙与组织对力学性能的影响：1750 W下Shape 1断于母材，孔隙未表现明显不利影响，但Shape 2断口存在聚集孔，说明消除孔隙可进一步提升性能；1900 W在孔隙率0.3%时裂纹自孔起裂并扩展；2050 W断口无明显孔，组织退化主导性能下降，故孔隙与组织共同决定WZ性能。固溶强化贡献为60.59、58.51和57.50 MPa，差异较小；α′晶粒尺寸0.93、1.00和1.07 μm对应晶界强化贡献258.4、249.2和240.9 MPa；位错密度2.81×10¹⁴、1.37×10¹⁴和9.42×10¹³ m^-2对应位错强化贡献123.9、86.5和71.7 MPa。1750 W下大量压缩孪晶的孪晶面间距0.2296 nm小于基体0.2327 nm，错配1.34%且界面共格，共格孪晶界稳定、抗裂纹，并因周围高位错密度阻碍位错运动而提高强度；1900 W取向多样性增强，相邻不同取向晶粒可交替激活滑移系并协调转动，塑性较好；2050 W晶粒粗大、晶界少，位错在晶界塞积造成局部应力集中，塑性降低。

研究结论（翻译）：（1）激光功率对LPBF成形Ti-6Al-4V合金激光焊接接头的缺陷、组织和力学性能产生耦合影响；提高激光功率促进WZ中α′马氏体由细小针状向粗大针状转变，同时加剧孔隙产生，包括孔数量、等效直径和总孔隙率；缺陷和组织共同决定焊接接头力学性能。（2）确定了合适的激光焊接工艺参数；1750 W下焊接接头达到峰值抗拉强度，WZ的UTS超过母材；1900 W下接头塑性相对更好，因此获得兼顾接头强度和塑性的最优激光焊接参数；2050 W下接头UTS和延伸率同时恶化。（3）1750 W下峰值强度归因于：WZ低孔隙率、细晶尺寸、WZ针状α′高硬度、固溶强化和位错强化，以及共格孪晶界提供稳定高角晶界并增加位错运动阻力；1900 W下塑性较好归因于位错运动未显著受阻和取向多样性增加。