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背景简介

增材制造（AM）利用电弧或激光束的热量，在预定义的数字路径中逐层制造具有复杂几何结构的功能部件。在过去的几年里，用于沉积钛合金粉末的高能量密度电子束熔炼（EBM）工艺一直在不断发展。钛合金Ti-6Al-4V卓越的强度重量比和优异的耐腐蚀性使其能够广泛应用于航空航天和生物医学行业。尽管在不同应用中具有许多优势，但AM Ti-6Al-4V零件的结构和机械性能不如锻造钛合金。过去，激光熔融Ti-6Al-4V零件的热处理已被广泛研究。然而，关于沉积后热处理对EBM Ti-6Al-4V微观结构和力学性能的影响的研究十分有限。因此，本文对未热处理和热处理的EBM Ti-6Al-4V板的微观组织与疲劳裂纹扩展之间的相关性进行了详细分析。

成果介绍

（1）图1(a)显示了未热处理样品的微观结构，具有非常细小的α相，厚度为0.38 ± 0.15 µm，β_pr晶粒内棒状β相分布均匀。还观察到纳米级球形β相，其均匀分布在β_pr晶粒内（如红色虚线框内的放大区域所示）。图1(b)显示了在950℃下热处理然后炉内冷却后α相的粗化（~2.0 ± 0.8 µm）。图1(c)为在950℃下进行热处理然后水淬后将β相转化为α’马氏体（~0.76 ± 0.29 µm）和纳米级β相。图1(d)显示水淬后再650℃下老化2小时导致分解的α和β相重新分布，这些相比炉冷样品相对更细。图1(e)至(j)显示了在三个不同平面上以两种不同的冷却速率在β_pr以上进行热处理后微观结构的变化。图1(h)至(j)为在1050℃下热处理并水淬的样品，产生了非常细小的α’马氏体（~0.24 ± 0.14 µm）。

图1 FE-SEM微观图，(a)未热处理，(b)950-FC，(c)950-WQ，(d)950-AG，(e) - (g)1050-FC，(h) – (j)1050-WQ（FC：炉冷；WQ：水淬；AG：老化）

（2）未热处理与热处理样品的力学性能与微观结构特征相关。如图2(a)和(b)所示，未热处理样品的BD-TD平面的最大硬度为430 ± 15 HV，SD-TD平面为415 ± 14 HV。与BD-SD平面相比，BD-TD和SD-TD平面的高硬度可能与更细的β_pr晶粒有关，这符合Hall-Petch关系。总体而言，该样品硬度的边际降低是由于大β_pr晶粒尺寸和水淬获得的精细马氏体结构的竞争机制。对于低于和高于βtr温度的热处理样品，热处理后α相厚度增加，随后进行炉内冷却，导致最大硬度降低约10%。相比之下，对于低于和高于β_tr温度的热处理样品，然后进行水淬，α相尺寸会减小，导致最大硬度略微降低5%。因此，硬度取决于α相厚度和β_pr晶粒尺寸。图2(c)显示，在β_tr温度以下热处理的样品的屈服强度和伸长率分别降低了至少10%和24%。热处理后，由于α相的粗化，有效滑移长度增加，导致断裂前伸长率降低。因此，无论冷却速度如何，在β_tr温度以下对样品进行热处理都会导致强度和延展性降低。图2(d)表明在βtr温度以上热处理的样品的延展性比在βtr温度以下的进一步降低了23%。图2(e)和(f)分别显示了低于和高于β_tr温度热处理样品的应变硬化率与真实塑性应变的关系。较粗的α相确保了较小的α/β界面，从而降低了滑动传递的阻力，导致应变硬化率低于未热处理样品，而与冷却速率无关。

图2 与未热处理样品相比，热处理后样品在β_tr温度上下的曲线图(a-b)显微硬度，(c-d)工程应力-应变，(e-f)应变硬化率

图3 (a)低于和(b)高于β_tr温度热处理样品与未热处理样品的疲劳裂纹扩展速率对比

致谢

本文第一作者：Anish Ranjan (Indian Institute of Technology Bombay)，通讯作者：Amit Kumar Singh (Indian Institute of Technology Bombay, Powai)。

本期小编 姚辰霖（整理）

闵     琳（校对）

舒     阳（审核）

董乃健（发布）