采用线弧定向能量沉积技术对Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo合金进行高沉积速率处理：微观结构与高温性能研究

《Materials Science and Engineering: A》：High-deposition-rate processing of Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo by wire-arc directed energy deposition: Microstructural and high-temperature properties.

　　**摘要**
本研究旨在通过冷金属转移焊接（CMT）技术提高Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si（Ti-6242）合金的沉积速率，应用于线弧定向能量沉积（waDED）工艺。实验中实现了1.8 kg/h的沉积速率，超越了目前waDED工艺中Ti-6242合金约0.6 kg/h的沉积速率上限。微观结构分析显示，该合金具有细小的α+β微观组织，柱状先β晶粒的平均尺寸约为500 μm。α相呈现层状形态。在三种不同温度下进行了拉伸测试：室温下，材料的抗拉强度为1020 MPa，断裂伸长率为7.3%；温度升高至300°C和550°C时，抗拉强度下降，但延展性提高。在550°C、575°C和600°C下进行蠕变测试，恒定载荷为210 MPa，测得的最低蠕变速率低于1×10^-7 s^-1。计算得到的激活能为380 kJ/mol。根据这一结果，推测材料的蠕变机制为位错攀移辅助扩散作用。从力学性能来看，沉积材料未出现关键缺陷或早期失效现象，其性能与锻造或其他增材制造的Ti-6242合金相当甚至更优。然而，在机械测试过程中发现了一些各向异性特征。本研究的结果证实，传统的Ti-6242合金可以通过waDED工艺实现高沉积速率，并获得可重复的性能，从而为高温航空航天或固定式涡轮机等应用节省成本和环境影响。

**引言**
过去二十年里，增材制造（AM）技术得到了广泛研究，并已在多个行业中得到应用[1]。对于高性能材料（如钛合金）而言，AM技术提供了诸多机遇。这些进展高度依赖于行业需求，但材料的力学性能波动通常是一个主要问题[2]。钛合金通常具有混合微观结构，包含不同比例的α（六方密排）和β（体心立方）相，这与合金的化学成分、凝固过程及后续热处理条件密切相关[3][4]。通过调整合金成分和定制热处理方案，可以使其适应特定应用。目前航空航天领域最常用的钛合金仍是Ti-6Al-4V[3]，但其性能并不适用于所有应用场景（例如高工作温度或蠕变载荷环境）。通过热处理设计[5]、元素添加[6][7]、控制冷却[9][10]以及层间沉积过程中的机械加工[11][12]，钛合金的力学性能得到了显著提升。多年来，AM制造的Ti-6Al-4V在静态和动态性能方面已达到锻造材料的标准[11][13][14][15][16]。尽管如此，这些成果仍需在其他关键合金（如Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si（Ti-6242）上得到验证。本研究聚焦于这种较少被研究的合金，探讨其通过waDED工艺实现高沉积速率的可能性，并验证其是否能够具备可重复的性能，从而为高温航空航天或固定式涡轮机等应用带来成本和环境效益。

**增材制造工艺**
过去二十年里，AM工艺得到了深入研究，并已在多个行业中得到应用[1]。对于钛合金等高性能材料，AM技术具有巨大潜力。然而，材料的力学性能波动是一个主要问题[2]。钛合金通常具有混合微观结构，包含α和β相。这种结构直接受化学成分、凝固过程及热处理条件的影响[3][4]。通过调整合金成分和热处理方案，可以使其适应特定应用。目前航空航天领域最常用的钛合金仍是Ti-6Al-4V[3]，但其性能并不适用于所有应用场景（例如高工作温度或蠕变载荷环境）。尽管如此，通过热处理设计[5]、元素添加[6][7]、控制冷却[9][10]以及层间沉积过程中的机械加工[11][12]，钛合金的力学性能已得到显著提升。近年来，AM制造的Ti-6Al-4V在静态和动态性能方面已达到锻造材料的标准[11][13][14][15][16]。这些成果进一步证明了AM工艺的可靠性，但仍需在其他关键合金（如Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si（Ti-6242）上得到验证。本研究重点关注这种相对较少被研究的合金，探讨其通过waDED工艺实现高沉积速率的可能性，并验证其是否能够具备可重复的性能，从而为高温航空航天或固定式涡轮机等应用带来成本和环境效益。

**CMT工艺**
CMT工艺使用金属丝作为材料原料，电弧作为热源，相比其他常见的AM工艺（如粉末基工艺）具有独特优势，如更高的沉积速率、更低的运营成本和更易操作性[2]。CMT工艺的能源来源多样，可借鉴传统焊接技术（如GMAW、GTAW或PAW）。GMAW具有最大的灵活性，电极可同轴送入焊枪，设计自由度更高且成本较低。CMT的变体（如CMT）具有更高的稳定性和更低的焊接难题（如飞溅和电弧漂移）。自CMT在钛合金AM中的应用以来，其稳定性得到了持续改进[13][14][22]。CMT技术的独特之处在于其复杂的送丝和能量传递机制，这有助于细化先β晶粒[13][21]。Ti-6Al-4V在粉末基AM工艺中也得到了广泛研究，主要集中在激光熔融沉积（L-PBF）过程中激光与材料的相互作用[23]，以及后处理热处理对材料微观结构和力学性能的影响[24]。然而，关于Ti-6242的waDED工艺的研究较少，首篇相关报道出现在2022年[12]，采用PAW工艺，研究重点是层间变形对微观结构的影响。尽管这些早期研究提供了关于Ti-6242加工的宝贵信息，但沉积速率较低（约0.6 kg/h），未考虑层间变形因素。与其他waDED工艺相比，CMT工艺的沉积速率更高，但几何精度较低[1]。因此，较低的沉积速率限制了CMT工艺的工业应用潜力。此外，CMT工艺可显著降低能耗（约50%[19]），缩短生产周期并减少环境影响[17]。