通过激光粉末床熔融结合感应加热技术制备具有优异延伸率的Ti-6Al-4V结构件

《Additive Manufacturing》：Fabrication of Ti-6Al-4V structures with superior elongation by laser powder bed fusion combined with induction heating

　　•首次将感应加热与PBF-LB/M结合，实现双热源控制。•体积预加热可有效调控冷却速率及微观结构。•α'相分解会产生纳米级β相颗粒，提升材料延展性。•在Ti-6Al-4V材料中实现了29%的优异伸长率与1038 MPa的高强度，其强延展性平衡优于传统热处理工艺。

引言
近几十年来，增材制造技术因其独特优势，在航空航天、汽车和生物医学领域得到了广泛应用[1]、[2]、[3]。该技术通过逐层构建的方式，能够以极低的材料消耗制造出结构复杂、性能优异的部件，这是传统制造方法难以实现的[4]、[5]、[6]。激光粉末床熔融技术是其中最具前景的增材制造技术之一，可高效制备具有精细结构的复杂零件。通常，通过该技术制成的合金会经历快速加热和冷却的过程（冷却速率为103-105°C/s），从而形成超细微观结构，进而获得高强度[7]、[8]。然而，由于对微观结构的控制不够理想，该技术在实现目标力学性能方面存在局限。这一问题的主要原因在于高能量激光沉积导致固化结构冷却过快，使得打印出的部件延展性不足[9]、[10]。为解决这些问题，许多研究致力于探究激光增材制造过程中的热行为，以更好地控制力学性能和微观结构[11]、[12]、[13]、[14]、[15]。

通过调整激光功率、扫描速度、铺粉间距和层厚等工艺参数来优化工艺，是目前控制微观结构最经济高效的方法[11]、[16]、[17]、[18]、[19]。为在保持Ti-6Al-4V合金高强度的同时提升其延展性，人们通过原位热处理手段控制负责赋予材料高强度但降低延展性的马氏体相（α'）。例如，通过调整工艺参数促使α'相分解为由α相和β相组成的超细层状结构[11]。这种超细层状（α+β）微观结构使材料的抗拉强度达到1260 MPa，断裂伸长率为12%，相比α'相结构分别提升了8.62%和31.1%。尽管工艺优化是一种有效方法，但其效果会因零件尺寸、批量大小以及所用设备的不同而有所差异，因为这些优化措施往往针对特定情况设计[20]、[21]、[22]、[23]。

先前的研究表明，仅使用单一热源进行温度控制存在一定局限性，只能在一定范围内调控微观结构[9]、[10]。单个激光热源会在熔池区域产生高度局部化且短暂的温场，而周围的粉末床及已固化的层则处于较低温度状态[7]、[8]。这会导致极大的温度梯度以及高达103-105°C/s的冷却速率。如此快速的固化和冷却速度使得材料没有足够的时间形成多样化的微观结构或发生相变[9]、[10]。因此在Ti-6Al-4V材料的加工中，单一热源的增材制造工艺容易引发非平衡态的α'相转变，同时抑制由扩散作用引起的α+β相演变，而这正是提升材料断裂伸长率所必需的。

热处理是一种高效且应用广泛的手段，能够以高度均匀且可重复的方式控制微观结构[12]、[24]、[25]、[26]。其中，热等静压处理可通过提高材料密度并将α'相转化为α+β相，显著提升增材制造而成的Ti-6Al-4V零件的延展性[12]、[24]。该处理方式可使Ti-6Al-4V的断裂伸长率提升至20%（相比初始状态提升了217%），同时抗拉强度降至940 MPa（下降了24%）[12]。不过，传统热处理的效力受到两方面限制：其一，它无法完全消除未熔合和夹杂等缺陷[24]；其二，较慢的冷却速率（低于20°C/s）会促使β相转变为α相，从而限制进一步提升断裂伸长率[27]、[28]。此外，热处理过程往往耗时较长且成本较高。

为解决上述问题，人们还开发了具备高温基板预热功能的PBF-LB/M系统[13]、[29]、[30]、[31]，这类系统能使α'相分解为纳米级的β相颗粒。即便在400°C的基板预热温度下——这一温度低于575°C的马氏体相转变温度——这种分解依然能够发生，其原因可能是反复的热循环过程中激光产生的热量积累，使得加工过程中的构件温度超过了这一临界值[13]。这些新生成的β相颗粒显著提升了材料的延展性：在400°C和600°C下预热的样品，其抗拉强度分别为1175 MPa和1150 MPa，断裂伸长率分别为8.6%和12.2%。与未预热的样品相比（抗拉强度1225 MPa，断裂伸长率7.5%），高温预热不仅使延展性提升了62.6%，强度仅略有下降6.1%。但在传统的基板预热方式中，预热效果会随着构件高度的增加而减弱，这就严重限制了预热处理的适用范围以及微观结构的均匀性[31]。

因此，近期的一些研究试图通过引入多个热源来进一步调控材料的热行为，比如使用双激光器[32]、[33]、[34]，或是将单个激光器与辅助红外加热器[14]、[35]或感应加热器[15]、[36]、[37]、[38]、[39]结合使用。尤其有研究表明，激光定向能沉积技术结合感应加热器，能够通过对整个待加工部件进行更均匀的加热，从而在更宽的范围内调控预热温度、固化速率和冷却速率[36]。得益于此，Ti-6Al-4V材料的性能得到了显著提升，实现了传统激光定向能沉积技术无法达到的效果，比如等轴晶粒的比例增加[37]、残余应力降低[38]，以及力学性能的提升[15]、[39]。具体而言，通过引入感应加热，预热温度可提升至500°C，冷却速率可降至37°C/s，而传统激光定向能沉积工艺的相应数值分别为25°C和82°C/s。这种定制化的热处理方案通过α'相分解以及随后的β→α相转变促进β相的形成，从而使材料的断裂伸长率提升了41.6%，达到20%，同时抗拉强度下降了8.1%，变为867 MPa[15]。不过，37°C/s的相对较慢的冷却速率使得β相结构转变为稳定的魏氏组织α相，而非进一步增加β相的数量，这也限制了断裂伸长率的进一步提升[15]、[39]。

因此，若要显著提升经增材制造处理的Ti-6Al-4V材料的断裂伸长率，就需要将加工过程中的构件温度维持在575°C以上，以促进激光熔化过程中形成的α'相分解；同时，需将冷却速率控制在20°C/s到410°C/s之间，以避免新生成的β相从α'相分解而来后转变为稳定的α相。

尽管感应加热等辅助热源具有调控材料复杂热行为的潜力，但目前它们仅被应用于激光定向能沉积系统，尚未在PBF-LB/M系统中得到应用，其主要原因是安装难度大且工艺复杂。在PBF-LB/M系统中集成感应加热尤为具有挑战性，因为感应线圈可能会干扰粉末的重新铺覆机制，还会因与高温部件接触而导致切割刀磨损，此外，打印部件周围的粉末烧结也会造成粉末沉积不均匀。目前所使用的仍是实验室规模的单激光系统，其中有一个固定线圈环绕着一个直径为23毫米、深度为40毫米的小型内部腔体。要将该系统扩展为大规模应用，还需克服若干实际难题：首先，为防止感应热影响下方的构建活塞，需要使用隔热陶瓷活塞，但这限制了构件的最大构建高度；其次，部件的平面尺寸会受到线圈内径的限制；再者，若要在线圈旁放置粉末重新铺覆装置，则需要调整激光焦点位置，进而不得不重新设计光路系统。此外，随着部件尺寸的增大，还需要对感应加热系统进行合理设计，以确保整个部件都能得到均匀加热。不过，这些都属于工程上的挑战，并非根本性的限制。由于靠近构建平面的感应线圈无论部件高度如何都能实现较为均匀的体积加热，因此构建体积并不会对热控制效果产生显著影响。从原理上讲，双热源策略可以随着构建体积的增大而自然扩展，只要通过合理设计增大线圈内径、隔热活塞的尺寸以及优化光路系统，这项技术就可以应用于工业规模的PBF-LB/M加工中。

本研究的主要目的是探讨在PBF-LB/M工艺中引入辅助感应加热的潜力。更具体地说，本研究旨在分析结合感应加热与传统激光熔化处理后，Ti-6Al-4V材料的微观结构及力学性能所发生的变化。为实现这一目标，研究人员开发了一套集成有感应加热器的专用激光粉末床熔融系统，并在整个打印过程中利用感应加热对整个已固化的结构进行整体预加热，使其达到预定温度。首先，通过数值模拟和实验研究，分析了双热源加热条件下的材料热行为。接着，研究了不同温度条件下材料的微观结构形成及其对应的力学性能变化。最后，确定了最优的工艺参数，以便在适度降低Ti-6Al-4V材料强度的同时，最大化其断裂伸长率。

材料与实验装置
本研究使用了等离子体雾化处理的Ti-6Al-4V粉末（AP&C公司生产，ASTM 23级），其颗粒尺寸分布范围为10至53微米，其中50%颗粒的尺寸为20微米。研究人员利用自行开发的、集成有感应加热器的PBF-LB/M系统，将这些粉末垂直浇筑在高度为3毫米的支撑架上，制成了长度为5毫米、厚度为1毫米、高度为13毫米的矩形试样。在激光功率、铺粉间距和层厚保持不变的情况下，研究人员改变了激光扫描速度和感应电流的大小。

热分析
图3a展示了基板的预热温度与感应电流之间的关系。这里的预热温度指的是在没有激光照射的情况下，仅通过感应加热使Ti-6Al-4V基板达到的温度，即不在PBF-LB/M加工流程中的温度。对于不同的感应电流值，Ti-6Al-4V基板在5分钟内就能达到相应的预热温度，且预热温度与感应电流呈线性关系。当感应电流为700安培时，测得的最高预热温度为600摄氏度。

结论
本研究首次提出了集成有感应加热器的激光粉末床熔融系统，该系统能够实现整体预加热，从而更有效地控制加工过程中的构件温度和冷却速率。通过调节感应电流，可以调控材料的微观结构，使其从以α'相为主的形态逐渐变为α/α'相混合的形态，且其中保留的β相比例也可有所不同。该工艺的一个显著特点就是α'相会在原位发生分解，从而形成体积分数高达7.3%的β相颗粒。

作者贡献说明
阿里夫·侯赛因：负责原文撰写、软件应用以及相关实验研究工作。丁松阮：负责研究方法设计及实验实施工作。权永三：负责资源协调及实验相关工作。金莱恩：负责研究方法设计及实验研究工作。萨公万在：负责资源协调及实验相关工作。金亨涉：负责资源协调及实验相关工作。金东植：负责原文审阅与编辑、项目监督、资源调配、项目管理以及资金申请工作。李俊勋：负责原文撰写、实验验证、研究方法设计、实验研究以及正式数据分析工作。

利益冲突声明
作者们声明存在以下可能被视为利益冲突的财务利益或个人关系：金东植表示自己获得了韩国国家研究基金会的资金支持。其他作者则声明自己不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢
本研究得到了韩国政府通过韩国科学技术信息通信部资助的韩国国家研究基金会项目（项目编号：RS-2025-00560842）的支持。

李俊勋|阿里夫·侯赛因|丁松阮|权永三|金莱恩|萨公万在|金亨涉|金东植