背景简介

当暴露于高温含氧环境时，钛合金会在表面形成氧化层 (α-case)，同时表层材料下方形成氧扩散区。α-case氧化层性质硬脆，常常因为出现开裂导致零部件的寿命急剧降低。传统铸造或者锻造期间产生的氧化层通常在受高静态载荷或者动态载荷的零部件为铸锭或半成品时就进行去除工序。然而打印材料是几乎按照零部件原型直接制造的，因此去除α-case需要在打印完成后进行额外的操作。这种额外的工序对于拥有复杂几何形状的一些部件来说，可能是昂贵的或者甚至是不可能的。

目前大多数研究使用小体积的实验室炉，其中绝大多数机械性能测试样品，是从矩形或圆柱形试样机加工而成。这意味着所观察到的机械性能的演变仅由微观组织演变决定，而忽略了表面和亚表面状态的影响，包括对于实际零件来说可能存在的α-case的影响同样被忽视了。到目前为止，很少有研究彻底避免了激光粉末床熔融 (L-PBF) Ti64的后续热处理之后α-case的存在。此外，不同深度的α-case对L-PBF Ti64拉伸性能的影响还没有被研究过。因此，本研究目的是量化微观组织和α-case对激光粉末床熔融Ti64静态性能的影响。

成果介绍

(1)Ti-6Al-4V在L-PBF工艺的快速冷却过程中，在母相β相晶粒内形成缠结的马氏体α'。在720°C至980°C之间进行2小时的热处理，然后缓慢炉冷至室温，导致α'马氏体分解成α+β，同时保留原始的β边界。图1中结果显示，后处理温度越高，β相含量越大，同时α相晶粒越长大。工业炉 (IF-HT)和实验室炉(LF-HT)获得的微观组织结果几乎相同。

图1 (a) SEM下L-PBF Ti64在初始状态和各种热处理后的微观组织。(b) 920℃下2小时的EBSD相比例图。(c) 由通过图像分析SEM图像测算的β相占比。

(2)据图2结果，在较高的退火温度下显示出IF-HT样品表面α-case厚度显著增加，导致表面硬度显著升高。然而，在LF-HT样品中并没有观察到α-case形成。在含有α-case的IF-HT样品的截面观察中发现存在大量贯穿氧化层的裂纹，如图3所示。同时，于图4中发现IF-HT拉伸样品断口在α-case处呈脆性断裂，而在内部呈韧性断裂。

图2 工业炉 (IF-HT) (a) 和实验室炉 (LF-HT) (b) 中后处理得到的样品显示出不同的α-case产出情况。

图3 IF-HT样品在920℃-2h热处理后的截面观察。

图4 高热处理温度下IF-HT样品拉伸断口观察结果。

(3)相变过程中的微观组织演变有助于实现强度和延展性之间的平衡，而屈服应力通过Hall-Petch机制由板条的厚度决定。然而，IF-HT样品的延展性在α-case深度≥50μm时显著降低。对于IF-HT样品在800℃保持下2h后，实现了强度和塑性有利的折衷。当加载方向平行于打印方向时，产生具有良好延展性(伸长率>10%)的强材料(屈服强度>1000MPa)。具体的拉伸性能及冲击韧性随着热处理温度提高的变化见图5。

图5 (a) IF-HT和LF-HT样品的工程应力-应变曲线，以及 (b) IF-HT和LF-HT样品的测量冲击能量。

致谢

这项工作在AEROPRINT项目中的LGF和MATEIS实验室进行。该项目得到了Auvergne-Rhône-Alpes Region和法国Dassault Aviation公司的支持。作者感谢Argonay生产基地的经济支持，并特别感谢他们的项目团队制作本研究中使用的样品。此外，作者还要感谢Pauline Chanin-Lambert和Maryline Mondon在实验室熔炉设置方面的帮助，Nathalie Peillon进行XRD测量，Séverine Girard-Insardi完成拉伸和冲击试验，Gilles Blanc完成的金相实验，Florian Steinhilber和Amélie Lampier参与原位拉伸试验。两位作者还对David Piot和Guillaume Kermouche进行了许多富有成果的讨论表示感谢。本文通讯作者：Xavier Boulnat（Univ Lyon, INSA Lyon, CNRS, MATEIS UMR 5510, F-69621 Villeurbanne, France）。

本期小编：董乃健（整理）

徐浩波（校对）

王康康（审核）

闵　琳（发布）