采用同轴多激光丝定向能量沉积技术制备TA15钛合金，该合金具有各向同性的力学性能

《Materials Science and Engineering: A》：Coaxial multi-laser wire directed energy deposition of TA15 titanium alloy with isotropic mechanical property

　　

Kai Yu|Zihao Jiang|Caiyou Zeng|Chunpeng Du|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

通过外延生长形成的粗大柱状β晶粒及其导致的机械各向异性仍然是增材制造钛合金中的关键挑战。在本研究中，采用同轴多激光丝定向能量沉积（CLW-DED）工艺制备了TA15（Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Zr）近α钛合金，并实现了从柱状到等轴晶粒的转变（CET）以及接近各向同性的拉伸性能。系统地研究了其多尺度微观结构特征和拉伸性能。结果表明，CLW-DED能量输入与循环起始锯齿形扫描策略的结合效应抑制了柱状β晶粒的连续外延生长。因此，在沉积方向上形成了由短柱状晶粒区和等轴晶粒区交替组成的层状β晶粒结构。沉积后的合金表现出典型的篮状α微观结构，并具有明显的多尺度α层状特征。室温拉伸试验显示其具有良好的强度-延展性平衡，各向同性拉伸性能接近理想状态。极限抗拉强度和伸长的面内各向异性指数分别低于4%和2%。结合EBSD表征、加载-卸载-重新加载试验和双束TEM分析表明，接近各向同性的拉伸响应主要与转化后的α微观结构的统计相似的晶体可变形性以及不同加载方向下的多滑移适应行为有关。实际变形主要由α型位错主导，同时存在少量携带c组分的位错以适应局部应变，而双模态β晶粒形态仅对取向依赖性有有限影响。这些结果突显了CLW-DED工艺在当前加工条件下调整微观结构和减轻机械各向异性的潜力。

引言

钛合金，特别是像TA15（Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Zr）这样的近α合金[1,2]，由于其优异的比强度、卓越的高温机械性能和出色的耐腐蚀性[3][4][5]，被广泛用于航空航天承重结构。近年来，定向能量沉积（DED）作为一种有前景的增材制造技术，因其高沉积效率、无需模具的制造能力和结构设计的灵活性[6][7][8]而受到重视。尽管具有这些优势，DED工艺本身涉及陡峭且高度方向性的温度梯度以及复杂的逐层循环热历史。这种非平衡热条件强烈促进了沿沉积方向（BD）的粗大β晶粒的连续外延生长，导致明显的晶体纹理[9]。因此，DED制造的钛合金部件在不同加载方向上常常表现出显著的强度和延展性差异，表现为严重的机械各向异性[10,11]。对于安全至关重要的航空航天应用而言，这种各向异性不仅复杂化了机械性能评估和结构设计，还从根本上限制了DED制造部件的可靠工程应用[12]。因此，减轻或消除机械各向异性仍然是DED处理钛合金中一个长期未解决的科学和技术挑战。

人们已经投入了大量努力来减轻DED制造钛合金的机械各向异性。常见的策略包括工艺参数优化、激光扫描路径修改、微合金化和各种沉积后处理。这些方法在不同程度上影响了熔池行为、凝固动力学和纹理演变，从而部分改善了机械性能。例如，优化能量输入和丝材送进条件已被证明可以通过改变熔池稳定性和成核行为来促进等轴β晶粒的形成[13]。同样，扫描路径设计可以改变热流方向和层间热积累，诱导晶粒取向偏转并减弱纹理强度[14,15]。然而，这些被动调节策略通常不足以从根本上消除由强取向柱状β晶粒引起的各向异性，机械性能的残余方向依赖性通常仍然存在。

还探索了基于成分修改和微观结构工程的替代方法。引入外部异质相或微合金化元素可以增强异质成核，改变成分过冷条件，并抑制柱状晶粒生长，从而细化β晶粒并减少各向异性[16][17][18]。此外，还采用了激光冲击强化、原位轧制和超声波冲击处理等后处理技术来调整残余应力状态、破坏柱状晶粒结构并减弱纹理效应，从而改善了强度-延展性平衡[19,20]。然而，这些方法通常涉及额外的加工复杂性、成本增加，或在完全消除凝固过程中建立的各向异性方面效果有限。

总体而言，现有研究表明，传统的参数调整、扫描路径优化和后处理方法受到狭窄加工窗口的限制，通常无法从根本上改变DED工艺中的极端温度梯度。因此，无法在源头上有效抑制沿沉积方向的β晶粒的连续外延生长和粗化[21,22]。这突显了开发新的工艺策略的必要性，这些新策略能够内在地改变沉积过程中的热场特性，从而更有效和稳健地调节微观结构演变。

在本研究中，使用同轴多激光丝定向能量沉积（CLW-DED）工艺结合循环起始锯齿形扫描策略制备了TA15钛合金。多激光能量场在调节熔池几何形状和温度梯度方面提供了更大的灵活性。系统地研究了沉积后TA15合金的多尺度微观结构特征和拉伸性能。特别强调了阐明β晶粒结构、转化后的α相微观结构以及宏观拉伸响应之间的关系。通过将详细的微观结构表征与机械测试和变形分析相结合，本研究旨在阐明CLW-DED制备的TA15合金接近各向同性拉伸性能的微观结构起源，并评估多激光能量场调节在减轻增材制造钛合金机械各向异性方面的潜力。

章节摘录

材料与CLW-DED工艺

TA15合金部件是使用商用同轴多激光丝定向能量沉积系统（Laser One，Rongsu Technology Ltd.，中国）制造的。系统的整体配置如图1a所示，其中集成了一个丝材矫直和送进单元以及六个光纤耦合的激光源。图1b展示了沉积过程中熔池的实时原位监测情况。使用了直径为1.2毫米的商用TA15合金丝材

β晶粒形态

图3展示了通过CLW-DED工艺制造的TA15合金的宏观微观结构特征。如图3a所示，在光学显微镜（OM）尺度上未观察到明显的宏观裂纹或缺熔合缺陷。沿沉积方向（BD）清晰可见明显的连续层带，这是与多层多轨迹沉积过程相关的典型微观结构响应。

低纹理β微观结构的形成机制

在激光定向能量沉积过程中，钛合金中β晶粒的生长通常表现出明显的方向选择性，外延生长优先沿着最大温度梯度（热流方向）进行[16]。这种行为受到凝固前沿热条件的控制。在传统的单束或单向能量输入模式下，熔池的特点是具有高且强取向的温度梯度

结论

通过全面的微观结构表征和机械测试，系统研究了使用同轴多激光丝定向能量沉积（CLW-DED）工艺制造的TA15钛合金的微观结构演变、拉伸性能及其各向同性拉伸响应的机制。主要结论如下：

(1)

通过结合CLW-DED工艺和循环起始锯齿形扫描策略，实现了独特的β

CRediT作者贡献声明

Kai Yu： 数据整理、正式分析、研究、撰写——初稿。Zihao Jiang： 数据整理、正式分析、研究、撰写——初稿。Caiyou Zeng： 数据整理、资金获取、研究、撰写——审阅与编辑。Chunpeng Du： 研究。Yu He： 研究。Yang Gao： 研究。Baoqiang Cong： 构思、资金获取、监督、撰写——审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

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提供的所有支持。感谢北京航空航天大学分析与测试中心的Cui Yanshuai和Ke Fei在机械测试方面的协助。