《Journal of Alloys and Compounds》：Ultra-Thin-Walled Ti-6242 via Laser-based Powder Bed Fusion: Manufacturability Framework and Defect Suppression
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基于近α钛合金Ti-6242的激光粉末床融合（PBF-LB）工艺优化研究，通过系统调控激光功率（150-250W）和能量密度（70-120J/mm3），成功制备出壁厚仅180μm的高完整性超薄壁构件，孔隙率≤0.1%，变形量<0.2mm，并验证了熔池几何模拟与实际厚度的94%-99%相关性。研究还拓展至空心桁架结构制造，重量精度达90%以上。摘要共105字。
Raad Omar|Jordan Noronha|Shenglu Lu|Abduladheem Almalki|Tiantain Wang|Elmira Sharabian|Mahyar Khorasani|Milan Brandt|Ma Qian
澳大利亚维多利亚州卡尔顿市RMIT大学工程学院增材制造中心，邮编3053
摘要
近α型钛合金Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo（Ti-6242）相比Ti-6Al-4V（Ti-64）具有更高的高温强度和抗蠕变性能，因此非常适合用于对轻量化设计和热性能要求严格的航空航天和能源领域。然而，由于其较窄的加工窗口、较高的残余应力和易开裂性，其在基于激光的粉末床熔融（PBF-LB）技术中的应用受到限制——尤其是在超薄几何结构中这些问题更为显著。本研究制备了54个超薄壁Ti-6242样品（厚度低至180微米），以优化PBF-LB工艺参数。通过系统地改变激光功率（100–350瓦）和能量密度（40–120焦耳/立方毫米），在固定层厚和光斑尺寸的条件下进行加工，并评估了样品的翘曲、尺寸精度、裂纹和孔隙率。最终确定的最佳参数为激光功率150–250瓦、能量密度70–120焦耳/立方毫米，这些参数下制备出的样品孔隙率低于99.90%（基于20微米体素尺寸的μCT测量；实际检测阈值约为80微米），且翘曲量小于0.2毫米。所有超薄壁样品均呈现出细小的α′马氏体微观结构。熔池几何形状的数值模拟与实验测量结果之间的吻合度达到94–99%，为设计薄壁Ti-6242结构提供了一种可靠的预测方法。利用这些优化参数，成功制备了实心和空心格构结构，其尺寸精度超过了90%。这些结果为高完整性Ti-6242组件的制造提供了可靠的工艺路径，从而扩展了该合金在轻量化结构应用中的潜力。
引言
在航空航天、交通运输、能源和生物医学领域，对更轻、更高效系统的需求持续推动了对薄壁和超薄壁金属部件的关注。这类结构具有显著优势：重量减轻、材料利用效率提高以及多功能集成能力，尤其在性能与重量比、紧凑性和设计复杂性要求较高的情况下尤为重要。
在结构金属中，钛合金因其出色的比强度、耐腐蚀性和热稳定性而特别适合此类应用。增材制造（AM），尤其是基于激光的粉末床熔融（PBF-LB）技术，能够制造出传统方法难以实现的复杂几何形状，包括亚毫米级的超薄壁结构。
对于钛合金的PBF-LB加工，Ti-6Al-4V（Ti-64）因其性能平衡、加工窗口宽以及商业可用性而成为首选材料。这些特性使得能够制造出高质量的薄壁结构，例如蜂窝结构[1]、三周期极小表面（TPMS）[3]和空心格构（HSLs）[5]，其壁厚可低至200微米[6, 7]。这些案例展示了当材料性能和加工性能相匹配时，PBF-LB技术在制造轻质高性能结构方面的能力。
与Ti-64相比，近α型钛合金Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo（Ti-6242）在室温下的强度相似或更高，但抗蠕变性能和长期机械稳定性显著更好（最高可达560°C [8, 9]），使其在高温要求的航空航天和能源领域具有吸引力。然而，这些优势也伴随着显著的制造挑战：加工窗口较窄、更容易开裂以及更大的残余应力积累[10, 11]。因此，成功制备这种合金需要精确控制PBF-LB工艺参数，有时还需要进行热等静压（HIP）或定制热处理等后处理[12, 13, 14]。
尽管已经实现了拉伸强度超过1500兆帕的Ti-6242块材的PBF-LB加工[15]，但具有Ti-64相同几何精度的超薄壁Ti-6242的制备仍较少研究。本研究通过系统评估能量密度、激光功率和扫描速度对Ti-6242超薄壁（厚度低至180微米）的可加工性、缺陷形成和微观结构的影响，填补了这一空白。研究结果确定了生产无缺陷、高完整性超薄壁Ti-6242的可行工艺窗口，为其在PBF-LB技术中的应用奠定了基础。
材料与方法
本研究中使用的Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo（Ti-6242）粉末由GE Additive（AP&C）提供，其名义组成为Ti-6.29Al-1.97Sn-3.92Zr-2.08Mo-0.08Si-0.03Fe-0.01C-0.02N-0.0025H（重量百分比）。使用QICPIC | RODOS & Co.系统对粉末的粒径分布进行了分析，结果为Dv(10) = 24微米、Dv(50) = 35微米、Dv(90) = 48微米（见图1a）。该粉末具有较高的球形度（Ψ = 0.95），即颗粒形状接近球形的程度。
结果与讨论
通过对成功和失败制备的样品进行分析，对超薄壁Ti-6242结构的可加工性进行了初步评估。图3展示了所有54个超薄壁Ti-6242样品的打印后的状态，并选出了部分典型样品进行重点说明。评估指标包括：翘曲、几何形状变化、表面缺陷（裂纹和粗糙度）、孔隙率以及最小可打印壁厚。
结论
本研究通过系统评估54个样品的可加工性，建立了Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo（Ti-6242）超薄壁结构的全面可加工性框架。每个样品由四块垂直壁组成正方形框架，内部中空，上下开口。评估依据五个关键指标：翘曲、尺寸精度、表面质量、内部缺陷和最小可打印壁厚。
作者贡献声明
Raad Omar：撰写初稿、数据可视化、方法设计、实验研究、数据整理。Tiantain Wang：数据可视化、数据整理。Abduladheem Almalki：数据可视化、软件开发、数据整理。Shenglu Lu：撰写、审稿与编辑、项目监督、资源协调、数据分析、概念构思。Jordan Noronha：撰写、审稿与编辑、项目监督、数据整理、概念构思。Ma Qian：撰写、审稿与编辑、项目监督、资金筹措、概念构思。Milan Brandt：
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
本项目得到了澳大利亚研究委员会（ARC）通过DP220103407项目的支持。作者感谢RMIT先进制造园区以及RMIT大学显微镜与微分析设施（RMMF）在科学和技术方面的支持。
