面向航空航天/石油化工领域的LPBF-Ti-6Al-4V合金复杂构件成形与性能保障研究——聚焦微观组织调控与缺陷抑制，解析各向异性力学行为，实现构件强度与耐久性的精准匹配

引言

钛合金(尤其是Ti-6Al-4V)因其疲劳强度高､生物相容性好和耐腐蚀等优异性能成为航空航天与生物化工､石油化工等领域的关键材料｡传统制造工艺的几何定制能力有限，且可能引入微观结构缺陷，激光粉末床熔融(LPBF)作为先进的工业技术[1-4],能实现复杂构件的快速原型开发与高精度制造｡

目前，LPBF技术制备钛合金在工艺参数､微观组织和力学性能等方面的研究取得了巨大进展｡SQUILLACI等[5-6]研究发现，剧烈的温度梯度会导致沿构建方向伸长的原始β晶粒及致密的针状α′马氏体网络的形成｡该组织引发显著各向异性行为-力学性能随构建取向发生明显变化[7-8]｡后处理工艺(如热等静压HIP､退火等)可将亚稳态α′马氏体转化为平衡态α+β双相组织从而提升材料塑性与韧性[9]｡表面粗糙是LPBF制件的核心缺陷之一，会严重降低构件疲劳强度｡CERRI等[10]研究表明，循环载荷下粗糙表面易成为裂纹萌生源，采用喷丸强化､抛光或涂层处理等表面改性手段可有效改善此问题｡

采用LPBF成形Ti-6Al-4V合金过程中，热处理及热等静压对Ti-6Al-4V显微组织有决定性影响｡ESHAWISH等[11]指出：热等静压处理能有效消除缺陷并诱发再结晶将亚稳相转化为平衡态α+β双相组织｡JABER等[12]发现固溶处理+时效可同步提升材料的强度与延伸率，冷却速率及相演变过程显著影响材料拉伸性能｡

LPBF构件普遍存在晶粒定向生长导致的力学各向异性｡垂直构建方向试样较水平方向呈现更高强度但塑性更低这源于β柱状晶的取向差异WILLIAMS等[14]表明，LPBF制备Ti-6Al-4V具有较高的极限抗拉强度(UTS)和抗拉强度值，这与飞机发动机涡轮部件､石油化工等设备及部件的性能预期一致｡

LPBF技术制备钛合金因具有独特的优势而被广泛关注，但是由于成形过程复杂，制备过程中容易出现缺陷，以及工艺参数设置不当易导致强度和塑性差｡本文主要阐述LPBF成形Ti-6Al-4V的显微组织特征对力学性能的影响规律，聚焦于加工条件与性能表现间的相互作用机制，为装备制造､石油化工､生物化工等工业应用场景提供重要参考｡

1、LPBF成形Ti-6Al-4V合金的微观形貌

Ti-6Al-4V粉末与球形纯钛粉末通过共振声波混合技术进行混合｡制备了两种混合粉末：向Ti-6Al-4V中分别添加质量分数为25%和50%的纯钛粉末，形成Ti-4.5Al-3V(命名为PT25,D50=37.7μm)和Ti-3Al-2V(命名为PT50,D50=39.8μm)。未添加纯钛的原始Ti-6Al-4V作为参照组命名为PT0(D50=33.7μm)，采用技术对上述粉末进行成形｡

高分辨率扫描电镜和电子背散射衍射(EBSD)分析结果证实，材料在成形方向存在柱状晶生长现象｡GOETTGENS等[15]研究指出，由于激光粉末床熔融过程中定向热传导的作用，原始β晶粒呈现明显拉长形态并具有择优取向｡这些晶粒内部存在致密交织的针状α′马氏体组织网络虽有助于提升强度，但会导致脆性断裂倾向｡通过退火和热等静压处理后，该结构可转变为等轴晶组织，使α+β双相结构的各向异性显著降低。DAREHBAGHI等[16]研究进一步表明，经热等静压处理的试样因晶粒细化和马氏体含量减少而表现出优异的各向同性和延展性｡

图1扫描电子显微镜图像（a)PT0(b)PT50、(c)PT0(d)PT50；图2不同倍数下扫描电镜二次成像[16]中，图2(a)显示Cu和Ti-6Al-4V的不完全混合，Cu-rich区域通常与孔隙相关，存在未熔化的球形Ti-6Al-4V颗粒；图2(b)可以看到熔池几何形状､Ti-rich区域和裂纹状特征，在β-Ti中可以识别出细小的Ti₂Cu沉淀物，图显示Ti₂Cu沉淀物包围着细胞状β-Ti｡

2、LPBF成形Ti-6Al-4V合金过程中的缺陷

材料的实际力学性能在很大程度上取决于孔隙率特征｡在原始成形状态下，Ti-6Al-4V合金可能包含未熔合孔隙､气孔或匙孔缺陷等不同类型的孔隙，其具体形态与激光能量密度密切相关[17-20]｡DU等[21]的研究表明，未经后处理的试样孔隙率为0.15%,而经热等静压处理后孔隙率可降至0.05%以下｡ESHAWISH等[11]通过显微图像和X射线计算机断层扫描(CT)证实，热等静压处理能有效消除绝大部分内部孔隙｡这些残余孔隙往往会成为裂纹萌生的起始点，尤其在疲劳载荷条件下更为显著｡因此，对关键承力部件实施适当的后处理工艺，对于确保其力学性能可靠性具有决定性作用｡

微观结构成形方向对材料力学性能具有显著影响｡研究表明，由于各向异性微观结构的存在，垂直成形与水平成形试样的极限抗拉强度(UTS)差异可达8%,水平成形试样因柱状晶粒取向与载荷方向一致而表现出更高的延伸率｡JABER等[12]的研究进一步证实了该各向异性特征：垂直成形试样虽然硬度和强度更高，但延展性较差｡这些研究表明，晶粒排列取向对材料的变形承载机制具有决定性影响｡

3、LPBF成形Ti-6Al-4V合金的力学性能

3.1拉伸性能

LPBF技术制备的Ti-6Al-4V钛合金的抗拉强度､延伸率､屈服强度和显微硬度等指标对石油化工与生物医学应用具有重要指导意义[22]｡

采用LPBF技术制备的Ti-6Al-4V合金由于快速凝固形成马氏体(α′相)而表现出高强度(SQUILLACI[5]报道的原始态试样抗拉强度约1100MPa､屈服强度950MPa),但是延展性受限(延伸率仅9.2%)｡经热等静压和退火工艺处理后，材料抗拉强度提升至1175MPa,延伸率增至10.5%,这归因于马氏体向β相的转变；而固溶处理[12]可进一步提高延伸率至14%,同时屈服强度也有一定提升｡

这些发现与ESHAWISH[11]的研究结果一致，表明热等静压处理可使孔隙闭合和残余应力消除，能在不损失强度的前提下显著改善材料延展性，数据如表1所示｡

表1原始态PT0､PT25和PT50的拉伸性能

3.2显微硬度与强度

图5为PT0､PT25和PT50三种试样在原始态下的显微硬度测试结果｡可以明显观察到，随着纯钛(CPTi)添加量的增加，材料硬度呈现下降趋势，这表明材料强度相应降低｡PT0和PT25以及PT25和PT50之间的硬度差约为38HV｡

LPBF技术制备的Ti-6Al-4V合金显微硬度与其微观结构密切相关｡原始态下由于针状马氏体的存在[23],硬度值通常维持在340~390HV｡LEKOADI等[24]研究表明通过改变激光工艺参数(主要是功率和扫描速度)使冷却速率和马氏体体积分数发生变化，从而对硬度产生关键影响｡经800°C热处理后，材料组织转变为层状α+β相，硬度略微降低至约320HV[14],但韧性和疲劳强度显著提升｡这种性能调控表明：原始态结构在静态强度应用领域具有优势，而经过后处理的合金则更适用于承受循环载荷或需要抗冲击性的工况环境｡

3.3疲劳性能

LPBF技术制备的Ti-6Al-4V合金的疲劳性能对内部缺陷､表面质量和微观结构极为敏感｡CERRI等[10]的研究表明，经抛光处理的试样其疲劳强度可达原始粗糙表面的两倍｡GAO等[7]通过试验证实，采用微加工和涂层等表面改性工艺能有效抑制裂纹萌生，从而显著改善疲劳性能｡经过特定后处理的试样(微观结构优化20%､宽度缩减20%)展现出更优异的疲劳寿命｡DU等[21]的研究进一步揭示，热等静压处理不仅使孔隙率显著降低，还稳定了材料微观组织，最终使疲劳强度提升15%~20%｡

4、结论与展望

本文深入阐释了LPBF成形Ti-6Al-4V合金的微观结构与力学性能特征｡研究证实，LPBF技术可制备具有复杂几何形状的高强度轻质钛合金部件，在航空航天､石油化工､生物化工和汽车工业等领域展现出重要应用价值｡但LPBF固有的三大特性：极高凝固速率､剧烈温度梯度､逐层加工方式会导致针状α′马氏体组织和各向异性晶粒生长，这些特征虽有助于提升强度，但会明显降低材料的延展性和疲劳强度｡通过热等静压等后处理技术可有效改善上述问题，主要表现在：一方面将微观结构转变为韧性更优的α+β双相组织，另一方面显著降低内部孔隙率｡表面处理工艺则能消除粗糙度相关的应力集中源，从而提升疲劳性能｡工艺参数和成形取向对LPBF技术制备的Ti-6Al-4V合金的力学性能具有决定性影响｡

尽管目前关于LPBF技术制备钛合金的研究取得诸多进展，但该领域还存在测试方法标准化缺失､粉末重复使用影响成形部件的机制不明确､实时监测技术待开发等问题｡未来研究应聚焦在原位合金化技术开发､功能梯度材料制备､基于人工智能的工艺优化等方向｡

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（注，原文标题：激光粉末床熔融制备Ti-6Al-4V钛合金的研究进展）

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