《Materials Science and Engineering: A》：Coaxial wire laser directed energy deposition of equiaxed structured titanium alloy with ultrahigh strength and minimal mechanical anisotropy
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钛合金增材制造中六激光 coaxial 焊丝定向能量沉积（WLDED）工艺通过重构熔池热场与流动，直接实现柱状到等轴晶转变（CET），形成平均126 μm的近等轴初生β晶粒，兼具1.3 GPa高抗拉强度和<0.4%低各向异性。
Kai Yu|Zihao Jiang|Caiyou Zeng|Lingyi Meng|Ruixiao Zheng|Yu He|Yang Gao|Baoqiang Cong
北京航空航天大学机械工程与自动化学院，中国北京102206
摘要 钛合金的定向能量沉积（DED）过程中常常伴随着强烈的温度梯度，这会导致粗大的柱状β晶粒和显著的机械各向异性。因此，在近β钛合金中实现从柱状到等轴状的转变（CET）仍然是一个关键的凝固相关挑战。本研究系统地研究了通过六激光同轴线材送进定向能量沉积（WLDED）工艺制备的近β钛合金（Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr，TC17）的凝固行为和微观结构演变。由于多激光能量输入的空间分布，熔池的热场和流体流动行为发生了显著变化，从而增强了对流并改变了局部凝固条件。结果，在沉积状态下直接实现了CET，无需成分修改或外部场辅助，形成了平均尺寸约为126 μm的几乎等轴的β晶粒。此外，WLDED工艺固有的高凝固速率促进了层状α+β纳米级微观结构的形成。等轴β晶粒和精细层状结构的共同作用使得最终抗拉强度达到约1.3 GPa，且平面内机械各向异性（%IPA）较低（<0.4%）。这些结果表明，在非平衡DED条件下，过程诱导的热-流-凝固耦合在驱动近β钛合金的CET中起着决定性作用。
引言 TC17是一种重要的近β钛合金，广泛用于航空航天部件，如压缩机盘、风扇叶片和大截面锻件，这归功于其高强度、断裂韧性和深部淬透性的优良组合[1]。然而，TC17固有的低导热性和高变形抗性给传统的锻造和加工方法带来了重大挑战。这些限制往往导致制造成本增加、交货时间延长以及设计灵活性受限[2]。
定向能量沉积（DED）是一种基于熔化的增材制造技术，为大规模钛部件的近净成形提供了有吸引力的替代方案，具有更高的设计灵活性和材料效率[3]、[4]、[5]、[6]。然而，在DED制造的钛合金中控制微观结构特性仍然是一个关键挑战。由于该过程固有的陡峭方向温度梯度，大多数DED部件表现出粗大的柱状β晶粒，从而导致显著的微观结构各向异性，进而使得机械性能下降且具有方向依赖性[7]、[8]、[9]。各向异性的程度通常用平面内各向异性百分比（%IPA）来评估，其中零值表示完全各向同性，低于5%的值表示接近各向同性，更高的值表示显著的各向异性[10]、[11]、[12]。
为了抑制柱状晶粒生长并促进DED过程中的从柱状到等轴状的转变（CET），近年来有很多研究关注微观结构控制策略。一种突出的策略是引入晶粒细化剂以促进凝固过程中的异质形核[13]。例如，Xue等人[14]通过引入适当比例的球形Ni粉末和B粉末，在激光定向能量沉积的TC4合金中实现了显著的CET，从而在沉积状态下获得了精细的等轴微观结构。他们的研究发现，在凝固过程中增加生长限制因子Q对于促进CET至关重要。同样，Cai等人[15]报告称，在TA15合金中引入镍和铜可以形成等轴晶粒，并伴随着均匀的硬度分布。尽管这些成分修改策略有效，但不可避免地引入了外来合金元素，这可能会影响长期服役性能，并由于严格的成分控制要求而给工业应用带来挑战。
另外，辅助能量场或机械干预也被用来通过引入额外的变形或位错结构来破碎或细化β晶粒，作为异质形核位点[16]。Niu等人[17]通过同步锤锻方法成功在LDED制造的TC4合金中诱导了CET。该技术显著将平均晶粒长度从746.7 μm减少到114.9 μm，减少了84.6%。同样，Chen等人[18]采用逐层超声冲击处理（UIT）辅助的LDED工艺有效细化了TA15合金的晶粒尺寸。主要的细化机制归因于UIT诱导的重结晶和相变。然而，这些方法显著增加了工艺复杂性，难以扩大到工业生产规模，并且对于几何形状复杂的部件适用性有限。Wainwright等人[19]、[20]试图通过增加线材送进速度来降低比能量密度以促进CET，但这种方法导致构建质量严重下降。
尽管这些研究显著推进了对DED过程中微观结构控制的理解，但在沉积状态下直接实现几乎等轴的β晶粒结构仍然是一个关键且未解决的挑战。特别是，大多数现有策略依赖于成分修改、外部场辅助或机械干预，这些方法要么改变了原始合金化学成分，要么影响了工业可扩展性，要么对沉积稳定性和成型质量产生了不利影响。因此，迫切需要一种稳健且实用的策略，能够在保持商业合金成分的同时实现钛合金的CET，避免外部辅助，并保持稳定的沉积行为和良好的构建质量。
近年来，研究人员通过采用能量调制策略（如光束成形LDED、激光振荡和多点LDED）在某些钛合金系统中实现了CET。其中，Fraunhofer开发了一种基于环形激光束的同轴线材送进激光沉积系统，该系统使用多级光学透镜系统从单个激光源生成环形能量分布[21]。基于这一概念，Chen等人[22]、[23]使用环形激光束同轴线材送进增材制造工艺在Ti-6Al-4V合金中实现了CET。他们的结果表明，在高线材送进速率下，熔池糊状区内的部分未熔化线材段可以作为异质形核位点，从而触发等轴晶粒的形成。然而，基于单个激光源的同轴线材送进激光系统在实际应用中仍面临重大挑战，包括系统成本高、光学配置复杂以及多级光束路径中的潜在光学干涉。这些限制限制了它们的工业可扩展性和工艺稳健性。同时，激光振荡策略也被引入到钛合金LDED工艺中以操纵凝固行为。Dai等人[24]系统研究了不同激光振荡模式对单轨单层沉积钛合金CET的影响，证明无限激光振荡可以将初级β晶粒的比例减少40%以上。然而，有效工艺窗口仍然狭窄，CET控制程度有限。此外，Fu等人[25]引入了一种采用三束环形排列的同轴线材激光DED技术，并在氩气氛围下实现了Ti-6Al-4V合金的稳定沉积。后续研究进一步证实，多激光同轴线材DED可以有效减轻传统侧向线材送进带来的显著微观结构各向异性。然而，现有的研究主要集中在α+β钛合金（如Ti-6Al-4V）上，主要关注沉积稳定性、几何保真度和宏观各向异性降低，而不是系统实现和控制β晶粒的CET。
总之，之前报道的光束成形、振荡光束和多点策略主要调节表面能量输入，仅在狭窄的工艺窗口内或对α+β钛合金有效。它们不能从根本上重构三维热场或熔池对流，而这对于在固有生长限制能力较低的近β钛合金中触发CET至关重要。对于TC17合金，由于其接近单位的分配系数，Al的生长限制效应几乎可以忽略不计，尽管其浓度相对较高，但报道的Q值接近0。像Mo和Cr这样的β稳定元素在Ti中的生长限制作用有限，典型的Q值在添加几个重量百分比时约为1–2 K[26]。因此，TC17的总生长限制因子通常低于约5 K，使得在传统LDED条件下无法通过成分过冷来促进CET。相比之下，本研究中使用的六激光同轴WLDED系统实现了强烈的激光-激光耦合和对称的能量传递，从而显著改变了温度梯度、冷却速率和熔池流动，从而实现了以等轴β晶粒结构为主的沉积。
在本研究中，采用六激光同轴线材送进定向能量沉积（WLDED）工艺直接制备了具有精细且主要为等轴β晶粒结构的TC17合金。值得注意的是，这种方法使用了商业TC17线材，无需任何成分修改，也不需要辅助能量场或机械干预。独特的多激光耦合热源显著重构了热场和熔池对流，从而形成了具有高冷却率和优化温度梯度的定制凝固条件。结果，同时形成了纳米级α + β层状微观结构。等轴β晶粒和精细层状结构的共同作用提高了机械各向异性和高达1.3 GPa的室温抗拉强度。这些发现展示了一种实用、可扩展且面向工业的增材制造近β钛合金微观结构控制方法，突显了所提出的WLDED策略在高性能航空航天应用中的潜力。
材料与实验程序 TC17合金部件是使用商用激光同轴线材送进DED系统（Laser One，Rongsu Technology Ltd.，中国）制造的。如图1a所示，加工头配备了线材矫直机构和六个光纤耦合激光器。图1b展示了熔池动态的现场监测。使用直径为1.2 mm的TC17线材作为原料来沉积多层单程薄壁结构。
原始β晶粒形态 图4展示了通过WLDED工艺制造的TC17合金中原始β晶粒的形态。如图4a所示，BD-ND和平面BD-TD都展示了具有最小表面波纹的均匀包层轮廓。图4b和图4c中的高倍率显微图更清晰地展示了两个平面上的原始β晶界特征。
从柱状到等轴状的转变机制 在基于熔化的增材制造和焊接领域，凝固微观结构由合金化学、晶核势和粒子空间分布的协同作用决定。StJohn等人[45]提出的相互依赖模型提供了一个有用的概念框架，用于通过将最终的晶粒尺寸表示为三个特征长度尺度的总和来合理化晶粒细化：
结论 在本研究中，应用了六激光同轴线材送进定向能量沉积（WLDED）工艺来制造近β TC17钛合金。通过微观结构表征和基于CFD的热流模拟系统地研究了TC17沉积合金的凝固行为、微观结构演变和机械响应。主要结论如下：
(1) 沉积态的TC17合金显示出几乎等轴的β晶粒结构，平均
作者贡献声明 Baoqiang Cong： 撰写 – 审稿与编辑，监督，资金获取，概念化。Lingyi Meng： 研究。Ruixiao Zheng： 撰写 – 审稿与编辑。Yu He： 研究。Yang Gao： 研究。Kai Yu： 撰写 – 原始草稿，研究，正式分析，数据管理。Zihao Jiang： 撰写 – 原始草稿，研究，数据管理。Caiyou Zeng： 撰写 – 审稿与编辑，资金获取，正式分析，数据管理
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致谢 本工作得到了国家自然科学基金 （编号52475317和52305331）的支持。非常感谢北京航空航天大学 的所有支持。感谢北京航空航天大学分析与测试中心的Cui Yanshuai和Ke Fei在机械测试方面的帮助。同时感谢新加坡国立大学的Zhang Yanming博士在数值模拟方面提供的有益建议。
