《Materials Science and Engineering: A》：Coaxial wire laser directed energy deposition of equiaxed structured titanium alloy with ultrahigh strength and minimal mechanical anisotropy
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鈦合金增材制造中六激光 coaxial 焊絲定向能量沉積（WLDED）工藝通過重構熔池熱場與流動，直接實現柱狀到等軸晶轉變（CET），形成平均126 μm的近等軸初生β晶粒，兼具1.3 GPa高抗拉強度和<0.4%低各向異性。
Kai Yu|Zihao Jiang|Caiyou Zeng|Lingyi Meng|Ruixiao Zheng|Yu He|Yang Gao|Baoqiang Cong
北京航空航天大學機械工程與自動化學院，中國北京102206
摘要 鈦合金的定向能量沉積（DED）過程中常常伴隨著強烈的溫度梯度，這會導致粗大的柱狀β晶粒和顯著的機械各向異性。因此，在近β鈦合金中實現從柱狀到等軸狀的轉變（CET）仍然是一個關鍵的凝固相關挑戰。本研究系統地研究了通過六激光同軸線材送進定向能量沉積（WLDED）工藝制備的近β鈦合金（Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr，TC17）的凝固行為和微觀結構演變。由于多激光能量輸入的空間分布，熔池的熱場和流體流動行為發生了顯著變化，從而增強了對流并改變了局部凝固條件。結果，在沉積狀態下直接實現了CET，無需成分修改或外部場輔助，形成了平均尺寸約為126 μm的幾乎等軸的β晶粒。此外，WLDED工藝固有的高凝固速率促進了層狀α+β納米級微觀結構的形成。等軸β晶粒和精細層狀結構的共同作用使得最終抗拉強度達到約1.3 GPa，且平面內機械各向異性（%IPA）較低（<0.4%）。這些結果表明，在非平衡DED條件下，過程誘導的熱-流-凝固耦合在驅動近β鈦合金的CET中起著決定性作用。
引言 TC17是一種重要的近β鈦合金，廣泛用于航空航天部件，如壓縮機盤、風扇葉片和大截面鍛件，這歸功于其高強度、斷裂韌性和深部淬透性的優良組合[1]。然而，TC17固有的低導熱性和高變形抗性給傳統的鍛造和加工方法帶來了重大挑戰。這些限制往往導致制造成本增加、交貨時間延長以及設計靈活性受限[2]。
定向能量沉積（DED）是一種基于熔化的增材制造技術，為大規模鈦部件的近凈成形提供了有吸引力的替代方案，具有更高的設計靈活性和材料效率[3]、[4]、[5]、[6]。然而，在DED制造的鈦合金中控制微觀結構特性仍然是一個關鍵挑戰。由于該過程固有的陡峭方向溫度梯度，大多數DED部件表現出粗大的柱狀β晶粒，從而導致顯著的微觀結構各向異性，進而使得機械性能下降且具有方向依賴性[7]、[8]、[9]。各向異性的程度通常用平面內各向異性百分比（%IPA）來評估，其中零值表示完全各向同性，低于5%的值表示接近各向同性，更高的值表示顯著的各向異性[10]、[11]、[12]。
為了抑制柱狀晶粒生長并促進DED過程中的從柱狀到等軸狀的轉變（CET），近年來有很多研究關注微觀結構控制策略。一種突出的策略是引入晶粒細化劑以促進凝固過程中的異質形核[13]。例如，Xue等人[14]通過引入適當比例的球形Ni粉末和B粉末，在激光定向能量沉積的TC4合金中實現了顯著的CET，從而在沉積狀態下獲得了精細的等軸微觀結構。他們的研究發現，在凝固過程中增加生長限制因子Q對于促進CET至關重要。同樣，Cai等人[15]報告稱，在TA15合金中引入鎳和銅可以形成等軸晶粒，并伴隨著均勻的硬度分布。盡管這些成分修改策略有效，但不可避免地引入了外來合金元素，這可能會影響長期服役性能，并由于嚴格的成分控制要求而給工業應用帶來挑戰。
另外，輔助能量場或機械干預也被用來通過引入額外的變形或位錯結構來破碎或細化β晶粒，作為異質形核位點[16]。Niu等人[17]通過同步錘鍛方法成功在LDED制造的TC4合金中誘導了CET。該技術顯著將平均晶粒長度從746.7 μm減少到114.9 μm，減少了84.6%。同樣，Chen等人[18]采用逐層超聲沖擊處理（UIT）輔助的LDED工藝有效細化了TA15合金的晶粒尺寸。主要的細化機制歸因于UIT誘導的重結晶和相變。然而，這些方法顯著增加了工藝復雜性，難以擴大到工業生產規模，并且對于幾何形狀復雜的部件適用性有限。Wainwright等人[19]、[20]試圖通過增加線材送進速度來降低比能量密度以促進CET，但這種方法導致構建質量嚴重下降。
盡管這些研究顯著推進了對DED過程中微觀結構控制的理解，但在沉積狀態下直接實現幾乎等軸的β晶粒結構仍然是一個關鍵且未解決的挑戰。特別是，大多數現有策略依賴于成分修改、外部場輔助或機械干預，這些方法要么改變了原始合金化學成分，要么影響了工業可擴展性，要么對沉積穩定性和成型質量產生了不利影響。因此，迫切需要一種穩健且實用的策略，能夠在保持商業合金成分的同時實現鈦合金的CET，避免外部輔助，并保持穩定的沉積行為和良好的構建質量。
近年來，研究人員通過采用能量調制策略（如光束成形LDED、激光振蕩和多點LDED）在某些鈦合金系統中實現了CET。其中，Fraunhofer開發了一種基于環形激光束的同軸線材送進激光沉積系統，該系統使用多級光學透鏡系統從單個激光源生成環形能量分布[21]。基于這一概念，Chen等人[22]、[23]使用環形激光束同軸線材送進增材制造工藝在Ti-6Al-4V合金中實現了CET。他們的結果表明，在高線材送進速率下，熔池糊狀區內的部分未熔化線材段可以作為異質形核位點，從而觸發等軸晶粒的形成。然而，基于單個激光源的同軸線材送進激光系統在實際應用中仍面臨重大挑戰，包括系統成本高、光學配置復雜以及多級光束路徑中的潛在光學干涉。這些限制限制了它們的工業可擴展性和工藝穩健性。同時，激光振蕩策略也被引入到鈦合金LDED工藝中以操縱凝固行為。Dai等人[24]系統研究了不同激光振蕩模式對單軌單層沉積鈦合金CET的影響，證明無限激光振蕩可以將初級β晶粒的比例減少40%以上。然而，有效工藝窗口仍然狹窄，CET控制程度有限。此外，Fu等人[25]引入了一種采用三束環形排列的同軸線材激光DED技術，并在氬氣氛圍下實現了Ti-6Al-4V合金的穩定沉積。后續研究進一步證實，多激光同軸線材DED可以有效減輕傳統側向線材送進帶來的顯著微觀結構各向異性。然而，現有的研究主要集中在α+β鈦合金（如Ti-6Al-4V）上，主要關注沉積穩定性、幾何保真度和宏觀各向異性降低，而不是系統實現和控制β晶粒的CET。
總之，之前報道的光束成形、振蕩光束和多點策略主要調節表面能量輸入，僅在狹窄的工藝窗口內或對α+β鈦合金有效。它們不能從根本上重構三維熱場或熔池對流，而這對于在固有生長限制能力較低的近β鈦合金中觸發CET至關重要。對于TC17合金，由于其接近單位的分配系數，Al的生長限制效應幾乎可以忽略不計，盡管其濃度相對較高，但報道的Q值接近0。像Mo和Cr這樣的β穩定元素在Ti中的生長限制作用有限，典型的Q值在添加幾個重量百分比時約為1–2 K[26]。因此，TC17的總生長限制因子通常低于約5 K，使得在傳統LDED條件下無法通過成分過冷來促進CET。相比之下，本研究中使用的六激光同軸WLDED系統實現了強烈的激光-激光耦合和對稱的能量傳遞，從而顯著改變了溫度梯度、冷卻速率和熔池流動，從而實現了以等軸β晶粒結構為主的沉積。
在本研究中，采用六激光同軸線材送進定向能量沉積（WLDED）工藝直接制備了具有精細且主要為等軸β晶粒結構的TC17合金。值得注意的是，這種方法使用了商業TC17線材，無需任何成分修改，也不需要輔助能量場或機械干預。獨特的多激光耦合熱源顯著重構了熱場和熔池對流，從而形成了具有高冷卻率和優化溫度梯度的定制凝固條件。結果，同時形成了納米級α + β層狀微觀結構。等軸β晶粒和精細層狀結構的共同作用提高了機械各向異性和高達1.3 GPa的室溫抗拉強度。這些發現展示了一種實用、可擴展且面向工業的增材制造近β鈦合金微觀結構控制方法，突顯了所提出的WLDED策略在高性能航空航天應用中的潛力。
材料與實驗程序 TC17合金部件是使用商用激光同軸線材送進DED系統（Laser One，Rongsu Technology Ltd.，中國）制造的。如圖1a所示，加工頭配備了線材矯直機構和六個光纖耦合激光器。圖1b展示了熔池動態的現場監測。使用直徑為1.2 mm的TC17線材作為原料來沉積多層單程薄壁結構。
原始β晶粒形態 圖4展示了通過WLDED工藝制造的TC17合金中原始β晶粒的形態。如圖4a所示，BD-ND和平面BD-TD都展示了具有最小表面波紋的均勻包層輪廓。圖4b和圖4c中的高倍率顯微圖更清晰地展示了兩個平面上的原始β晶界特征。
從柱狀到等軸狀的轉變機制 在基于熔化的增材制造和焊接領域，凝固微觀結構由合金化學、晶核勢和粒子空間分布的協同作用決定。StJohn等人[45]提出的相互依賴模型提供了一個有用的概念框架，用于通過將最終的晶粒尺寸表示為三個特征長度尺度的總和來合理化晶粒細化：
結論 在本研究中，應用了六激光同軸線材送進定向能量沉積（WLDED）工藝來制造近β TC17鈦合金。通過微觀結構表征和基于CFD的熱流模擬系統地研究了TC17沉積合金的凝固行為、微觀結構演變和機械響應。主要結論如下：
(1) 沉積態的TC17合金顯示出幾乎等軸的β晶粒結構，平均
作者貢獻聲明 Baoqiang Cong： 撰寫 – 審稿與編輯，監督，資金獲取，概念化。Lingyi Meng： 研究。Ruixiao Zheng： 撰寫 – 審稿與編輯。Yu He： 研究。Yang Gao： 研究。Kai Yu： 撰寫 – 原始草稿，研究，正式分析，數據管理。Zihao Jiang： 撰寫 – 原始草稿，研究，數據管理。Caiyou Zeng： 撰寫 – 審稿與編輯，資金獲取，正式分析，數據管理
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利益沖突聲明 ? 作者聲明他們沒有已知的可能會影響本文工作的競爭性財務利益或個人關系。
致謝 本工作得到了國家自然科學基金 （編號52475317和52305331）的支持。非常感謝北京航空航天大學 的所有支持。感謝北京航空航天大學分析與測試中心的Cui Yanshuai和Ke Fei在機械測試方面的幫助。同時感謝新加坡國立大學的Zhang Yanming博士在數值模擬方面提供的有益建議。
