《Materials Science and Engineering: A》：Quantifying the role of additive-manufacturing-inherited grain configuration on strength and plasticity of Ti-6Al-4V alloy
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摘要增材制造（AM）钛合金通常表现出优异的强塑性协同效应。然而，目前尚不清楚这种优势究竟主要源于微观组织的细化，还是源于增材制造固有的晶粒构型。在本研究中，通过调整AM和锻造Ti-6Al-4V合金的微观组织，使两者具有相似的有效α相晶粒/板条尺度以及相比例演化，但具有截然不同
摘要
增材制造（AM）钛合金通常表现出优异的强塑性协同效应。然而，目前尚不清楚这种优势究竟主要源于微观组织的细化，还是源于增材制造固有的晶粒构型。在本研究中，通过调整AM和锻造Ti-6Al-4V合金的微观组织，使两者具有相似的有效α相晶粒/板条尺度以及相比例演化，但具有截然不同的晶粒构型，从而在很大程度上将这两种效应解耦。在给定晶粒构型下，改变组成相的比例会导致常规的强塑性权衡，而从传统锻造晶粒构型转变为AM篮筐编织状晶粒构型则能够实现强度和塑性的同时提升。多尺度表征表明，AM固有的篮筐编织状晶粒构型能够显著重新分配变形局部化并促进更多样的滑移活动，特别是具有非极大施密特因子的基面?a?和锥面?c+a?滑移，从而维持更强的应变硬化能力，赋予AM Ti-6Al-4V合金优异的强塑性协同效应。利用指数应变硬化模型进一步定量验证了晶粒构型在控制位错增殖和宏观强塑性中的重要作用。因此，本研究定量阐明了AM Ti-6Al-4V合金卓越的强塑性协同效应不仅受微观组织细化控制，还受其独特晶粒构型的影响，为通过调节晶粒几何特征设计高强高韧钛合金提供了指导。
引言
目前，金属材料强塑性的协同提升仍是材料科学领域的重大国际挑战[1]。传统上，材料的强度与塑性往往呈现此消彼长的关系，即所谓的"逆相关关系"[1]，[2]，[3]，在钛合金中也普遍存在[4]，[5]。尤其是变形机制研究表明，若干内在因素使得这种权衡在钛合金中尤为难以克服[5]，[6]。具体而言，作为钛合金主要微观组织组元的密排六方（HCP）α相具有有限的滑移系和固有的低位错增殖能力[5]，[6]，[7]。此外，HCP α相中优先激活的棱柱面?a?滑移模式仅提供两个独立的滑移系，且无法协调c轴应变，从而阻碍均匀协调的塑性变形[5]，[8]。因此，要克服钛合金中的强塑性权衡，不仅需要提高强度，还需增强变形协调能力和位错储存能力。
因此，已有大量研究致力于在钛合金中激活更多有利的变形模式或引入额外的硬化源。代表性策略包括通过合金化设计促进?c+a?滑移[5]，引入预存位错源[8]，[9]，以及利用变形孪晶、背应力硬化和剪切带等替代变形机制[10]，[11]，[12]。尽管取得了显著进展，但这些方法往往依赖于成分改性或特定的微观组织特征，难以在不同钛合金中普适推广。相比之下，越来越多的证据表明，通过微观组织调控也能改善钛合金的强塑性协同效应，例如通过细化α相尺寸、调控α晶粒形貌以及随机化α/α′取向分布[13]，[14]，[15]，[16]，[17]。这种微观组织调控极具吸引力，因为它提供了一条普遍适用且工艺友好的途径。
在此背景下，增材制造（AM）提供了一条尤为有前景的路径。由于快速凝固、陡峭温度梯度和反复热循环，AM能够同时诱导多尺度微观组织细化并自然形成分级篮筐编织状晶粒（BG）构型[17]，[18]，[19]，[20]。许多研究利用这一独特工艺在AM钛合金中获得了优异的拉伸性能[20]，[21]，[22]，[23]，[24]，[25]。然而，这种优异性的来源仍然不明确，因为微观组织细化的有益效应与AM固有的晶粒构型通常相互交织。特别是对于分级BG构型的影响，这种模糊性导致文献中出现了看似矛盾的结论。例如，一些研究表明，AM分级篮筐编织状结构比具有等轴晶（EG）特征的传统微观组织具有更好的强塑性[20]，[21]，[22]，[23]，[24]，[25]，而另一些研究则报道两者的拉伸性能相当[26]，[27]，[28]，[29]，[30]。这种表面上的不一致可能源于不同研究之间微观组织细化程度的差异，从而掩盖了晶粒构型本身的作用。
除了优化拉伸性能之外，为了定量评估AM钛合金的拉伸性能，许多研究者通过叠加各种强化理论或借助人工神经网络、遗传算法、晶体塑性有限元等方法，为钛合金开发了多种唯象模型[31]，[32]。然而，由于许多模型与微观变形机制的关联性较弱，无法充分揭示微观组织对强化和增韧背后硬化机制的影响[31]，[32]。另一方面，一些半定量研究基于施密特定律[33]和Kocks-Mecking-Estrin理论[34]，[35]来解释微观组织对应变硬化行为和变形机制的影响。然而，这些研究未考虑屈服强度对后续应变硬化行为的影响，因此未能建立强度与塑性之间的定量关系。面对多种微观组织变量和复杂的变形机制，要建立与变形机制密切相关、连接拉伸性能与微观组织的定量关联在钛合金中仍具挑战性[31]，[32]。
基于上述认识，本研究旨在回答三个核心问题：i）在最小化细化效应的前提下，AM固有的篮筐编织状晶粒架构能否本质上改善强塑性；ii）这种构型为何能够同时改善强度和塑性；iii）如何定量描述这种效应。为此，本研究精心调整了一系列具有不同相比例的AM和传统制备Ti-6Al-4V合金，同时在当前统计定义下保持相似的有效细化尺度，即保持相似的等效α相晶粒/板条尺寸并防止原始β晶粒（PBG）粗化，从而最小化微观组织细化与微观组织构型对拉伸性能的交织效应。在此基础上，将建立微观组织特征与拉伸性能之间的定量关联，并进而发展强化增韧原理，以指导AM钛合金拉伸性能的定量预测与优化。
各节摘录
样品制备与热处理制度
作为AM材料家族中的主力军和钛工业的基准合金，Ti-6Al-4V被选为拉伸性能的体系研究对象。所购的锻造Ti-6Al-4V以直径53 mm的棒材供货，为炉退状态，称为"锻造原始态（F-O态）"。通过激光粉末床熔融（LPBF）工艺制备了长度为100 mm、直径为16 mm的AM Ti-6Al-4V样品。最佳沉积参数如下：
具有不同晶粒构型但相似有效细化尺度的微观组织调控
为了阐明AM固有的BG构型的主导作用，必须首先最小化微观组织细化对拉伸性能的混杂效应。因此，本研究精心调控了一系列具有不同热处理状态的AM和传统制备Ti-6Al-4V合金，同时保持相似的微观组织细化程度，包括α相尺寸和PBG尺寸。详细的加工路线见第2.1节和补充说明。
AM Ti-6Al-4V合金优异强塑性协同效应背后的变形机制
为了揭示上述优异强塑性协同效应的内在机制，首先分析了应变硬化率（Θ），因为金属材料的强度和塑性受宏观应变硬化行为强烈控制[62]。如图4a-4b所示，对于给定的晶粒构型，较高的βt含量通常导致更高的屈服强度，但与较低的βt含量相比，Θ的衰减速率更快；反之亦然。这种跷跷板效应
结论
本研究通过将微观组织细化与晶粒构型解耦，系统研究了增材制造（AM）固有的晶粒构型对Ti-6Al-4V合金强度和塑性的影响。主要结论如下：
- (1)
通过调控一系列具有相似有效细化程度但不同晶粒构型的Ti-6Al-4V合金，阐明了晶粒构型相关的贡献。对于给定的晶粒构型，改变
CRediT作者贡献声明
张伟峰： 撰写–审阅与编辑，资源，项目管理，经费获取，概念设计。徐承浩： 方法。刘锐： 方法。张震军： 撰写–审阅与编辑，项目管理，概念设计。曲展： 撰写–初稿，方法，调查，形式分析，概念设计。任庭臻： 调查。吴怡晴： 调查
利益冲突声明
? 作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能影响本论文所报告的工作。
致谢
本研究获得了国家重点研发计划（2023YFB4606601）、国家自然科学基金委员会基金资助（批准号：52501126，52322105，52321001和52371084）、中国科学院战略性先导科技专项（批准号：XDB1420000）、博士后科学基金（批准号：BX20250307）、中国博士后科学基金（批准号：2025M780178）和自然
曲展|张震军|刘锐|吴怡晴|徐承浩|任庭臻|张伟峰
金属研究所，中国科学院沈阳材料科学国家研究中心，中国沈阳110016
