《Metals》：Effects of Various Heat Treatments on Room- and High-Temperature Tensile Properties of Ti65 Alloy Fabricated via Electron Beam Powder Bed Fusion
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Ti65是一种用于轻量化高温航空结构件的有前景的结构材料，然而，采用电子束粉末床熔融（EB-PBF）成形的Ti65合金的热处理响应仍未得到充分理解。本研究对EB-PBF成形的Ti65试样在800–1000 °C下进行不同保温时间的固溶处理，随后在650 °C下
Ti65是一种用于轻量化高温航空结构件的有前景的结构材料，然而，采用电子束粉末床熔融（EB-PBF）成形的Ti65合金的热处理响应仍未得到充分理解。本研究对EB-PBF成形的Ti65试样在800–1000 °C下进行不同保温时间的固溶处理，随后在650 °C下进行2–8 h的时效处理。研究人员表征了显微组织演变，并在室温及650 °C下沿XY和Z方向评估了拉伸性能。沉积态合金呈现细小的网篮状α+β层片显微组织，并具有明显的各向异性。提高固溶温度促进了α层片的溶解、元素均匀化、晶界α的不连续化以及显微组织的重构。1000 °C/2 h + 650 °C/2 h处理显著提高了室温强度和横向塑性，极限抗拉强度达到约1050 MPa，并降低了各向异性。在650 °C下，所有试样均表现出强度降低但塑性增加；低温固溶处理有利于塑性，而基于1000 °C的处理结合适当的时效可提高高温强度。时效4 h可获得强度与塑性的平衡组合，而更长的时效时间虽提高了屈服强度但降低了塑性。上述结果表明，定制固溶和时效参数对于优化EB-PBF Ti65合金的显微组织和力学性能至关重要。具体而言，1000 °C/2 h + 650 °C/2–4 h制度实现了室温极限抗拉强度约1050 MPa和650 °C下约608 MPa，XY方向延伸率从5.4%提高至11.5%，对应各向异性定量降低约53%。
以下为论文解读文章：
**一、研究背景与科学问题**
Ti65合金是一种600 °C级近α型高温钛合金，通过多元合金化实现固溶强化、沉淀强化和热稳定化，被认为是航空航天高温承力结构件的重要候选材料。与镍基高温合金相比，钛合金密度更低、比强度更高，在中高温区间具有显著的减重优势。然而，高温钛合金的服役能力受α相稳定性、β相分数、硅化物析出、晶界形貌及氧化行为等多因素制约，如何在高温服役条件下平衡强度、塑性与显微组织稳定性，始终是高温钛合金设计与制造的核心问题。采用传统锻造、轧制及机加工工艺制备复杂高温钛合金构件时，往往存在制造周期长、材料浪费大、结构自由度受限等不足。电子束粉末床熔融（EB-PBF）作为一种先进的粉末床增材制造技术，可在真空环境中直接成形复杂金属构件，其高温预热特性不仅能提高粉末床稳定性，还能降低热应力和开裂敏感性，特别适合钛合金等高活性金属材料的制备。对于Ti65这类高合金化高温强化钛合金，EB-PBF有望克服传统方法在复杂结构制备方面的局限。
目前，尽管已有关于激光增材制造Ti65合金的研究报道，但针对EB-PBF成形Ti65合金在热处理过程中的显微组织演变以及室温与高温性能关联性的研究仍相对匮乏。特别是不同固溶温度、固溶时间及时效时间对α相形貌、晶界α状态和高温拉伸行为的影响机制尚需进一步阐明。已有研究表明，在β相变点以下进行固溶处理可有效打断连续晶界α相并促进双态显微组织形成，从而降低力学各向异性。因此，系统研究EB-PBF Ti65合金的热处理制度对其显微组织和力学性能的影响，不仅有助于深入理解高温钛合金在电子束增材制造独特热历史下的相变行为，也为复杂构件的性能稳定化提供工艺基础。
**二、研究内容与主要结论**
研究人员以气雾化球形Ti65合金粉末为原料，采用EB-PBF技术制备了Ti65合金试样。沉积态合金呈现细小的网篮状α+β层片组织，并显示出明显的各向异性。研究人员设计了不同固溶温度（800、900、1000 °C）、不同固溶保温时间（2 h和4 h）以及不同时效时间（2、4、6、8 h）的热处理制度，系统研究了热处理对显微组织演变、室温及650 °C拉伸性能的影响。主要结论包括：提高固溶温度促进了α层片溶解、元素均匀化、晶界α的不连续化以及显微组织重构；1000 °C/2 h + 650 °C/2 h处理显著提高了室温强度和横向塑性，极限抗拉强度达到约1050 MPa，并将XY方向延伸率从5.4%提高至11.5%，各向异性降低约53%；在650 °C下，所有试样均表现为强度降低而塑性增加，低温固溶处理有利于塑性，而1000 °C固溶结合适当时效可提高高温强度；时效4 h可获得良好的强度-塑性平衡，更长时间时效提高屈服强度但降低塑性。推荐的热处理制度为1000 °C/2 h + 650 °C/2–4 h，该制度提供了平衡的室温强度、高温性能及降低的各向异性，适用于要求高温承载能力和尺寸稳定性的航空航天应用。
**三、主要关键技术方法**
本研究使用了以下主要技术方法：采用EB-PBF工艺在真空环境中制备Ti65合金试样，粉末原料由西安铂力特增材技术股份有限公司提供，EB-PBF设备为北京清软科技股份有限公司的Qbeam-E200系统；采用差示扫描量热法（DSC）测定合金的相变特征温度；利用光学显微镜（OM）和扫描电子显微镜（SEM）观察显微组织演变；采用能谱仪（EDS）分析各元素在α相、β相及局部析出相中的分布；按照标准加工拉伸试样，在室温及650 °C下分别沿XY方向和Z方向进行拉伸测试，获取屈服强度、极限抗拉强度和断后延伸率，并对断口形貌进行SEM观察。
**四、研究结果分析**
4.1 固溶热处理的影响
DSC分析显示，EB-PBF Ti65合金在加热过程中出现明显热效应区间，起始温度约887.5 °C，峰值温度约894.8 °C，结束温度约950.9 °C。该温度范围对应亚稳组织分解、层片α相溶解以及α→β相变的加速起始。由于EB-PBF快速凝固和循环热历史造成的细密非平衡组织，相变起始温度可能略低于传统锻造或铸态材料。EDS结果显示，800 °C固溶处理后β相仍富集W、Si、Ta、Mo，且存在局部元素偏聚点；而1000 °C固溶处理后元素偏聚点完全消失，表明高温固溶促进了元素均匀化。
在800 °C固溶处理后，显微组织仍以原始细α层片为主，α相溶解和重构有限，处理主要起回复和应力消除作用，室温强度无明显变化，横向塑性改善有限；但650 °C高温拉伸时Z方向延伸率达到最高，表明保留细层片组织并适当降低内应力有利于高温变形协调。900 °C处理后层片α略有粗化，部分细α相溶解再析出，强度提高但各向异性改善有限。1000 °C固溶处理后，α层片发生明显粗化、溶解、破碎和再析出，显微组织重构明显，室温强度显著提高，XY方向塑性大幅改善，各向异性显著降低；650 °C下XY方向强度也高于低温固溶处理试样。然而，1000 °C固溶也存在组织粗化和塑性波动的风险：若保温时间过短，局部组织均匀化不充分，可能导致个别Z方向高温塑性分散；若保温至4 h，元素扩散更充分，但α层片和层片团进一步粗化，弱化细层片强化效果，导致部分方向室温塑性下降。
4.2 时效热处理的影响
固溶处理后，合金中保留了一定量的β相和过饱和溶质元素。650 °C时效过程中，β相中的β稳定元素重新分配，逐渐析出细小二次α相、硅化物及其他弥散析出相。时效2 h时，析出过程尚处于初始阶段，二次α相数量密度有限，沉淀强化效果未完全激活，屈服强度提高有限，且部分Z方向试样在650 °C拉伸时塑性数据分散较大。时效4 h时，元素扩散和析出较为充分，二次α相和硅化物数量密度增加且分布更均匀，合金获得良好的强度-塑性平衡。时效6 h时，屈服强度继续提高而断后延伸率下降，表明析出相增多和α/β界面强化提高了塑性变形抗力，但降低了位错滑移和界面变形协调能力。时效8 h时，强度达到各研究条件中的最高值，Z方向仍保有较好塑性，表明析出相逐渐稳定，组织热稳定性增强；但过长时间时效也可能引起α层片或析出相粗化，削弱塑性储备。
4.3 与已有研究的对比
在显微组织方面，EB-PBF沉积态Ti65合金呈现细小的网篮状α+β层片组织，与激光粉末床熔融（LPBF）成形Ti65中典型的α′马氏体组织以及激光定向能量沉积（LDED）成形Ti65中沿沉积方向具有强[0001]织构的粗大柱状前β晶粒不同。该差异源于EB-PBF工艺的高温预热和固有循环热历史，促进了马氏体原位分解，形成细小的近平衡层片形貌。1000 °C固溶处理后，连续晶界α转变为不连续分布，并形成类似双态的α形貌，这与已有研究中激光增材制造Ti65合金经亚β相变点固溶处理后晶界α断裂、各向同性改善的结论一致。在力学性能方面，本研究热处理后的EB-PBF Ti65合金室温极限抗拉强度约1050 MPa、XY方向延伸率11.5%，较LPBF成形Ti65（UTS 1394 MPa、延伸率7.1%）具有更均衡的强度-塑性组合，且各向异性较沉积态降低约53%。高温方面，本合金在650 °C下保持UTS约607 MPa和延伸率20.5%，考虑到试验温度高于对比文献的600 °C，其高温强度保持能力处于有竞争力的范围。时效时间依赖性也与锻造Ti65的热暴露行为定性一致，证实时效诱导析出是决定服役温度下强度-塑性平衡的关键因素。
**五、讨论与结论**
讨论部分指出，800 °C固溶处理有利于保留细层片组织和提高高温塑性；900 °C处理提高强度但各向异性改善有限；1000 °C处理能显著均匀化组织、提高强度并优化室温综合性能，是调控增材制造Ti65合金热处理制度的最佳温度区间。时效处理方面，4 h时效更有利于获得强度与塑性的平衡组合，6–8 h时效更适合要求高温强度和显微组织稳定性的服役条件。研究结论可翻译为：对于EB-PBF成形的Ti65合金，本研究证明热处理显著影响显微组织和力学性能。沉积态组织表现出的力学各向异性主要与连续晶界α相和定向层片团有关。在1000 °C下固溶2 h（低于β相变点约1010 °C）有效促进了连续晶界α向不连续转变，并促进双态α显微组织形成，使室温极限抗拉强度达到约1050 MPa，XY方向延伸率从5.4%提高至11.5%，对应各向异性降低约53%。在650 °C下，1000 °C/2 h + 650 °C/4 h处理提供了良好的强度-塑性组合，XY方向极限抗拉强度约607 MPa，延伸率约20.5%。推荐的热处理制度为1000 °C/2 h + 650 °C/2–4 h，该制度兼具室温强度、高温性能与降低的各向异性，适用于需要高温承载能力和尺寸稳定性的航空航天应用。未来工作应包括定量相分数分析（如XRD、TEM）和断口表征，以进一步阐明各向异性降低和高温性能优化的机制。
