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背景简介

由于多功能性和广泛的商业应用，钛合金是时下较为热门的用于激光粉末床熔融（LPBF）的合金材料。LPBF工艺冷却时的高冷却速率使得LPBF合金材料的相成分处在非平衡状态，内部含缺陷，母相柱状排列和晶粒存在一定择优取向。这样的微观组织特征导致LPBF合金材料的力学性能呈现出明显的各向异性。LPBF合金材料的微观结构和力学性能的各向异性在热处理之后也无法完全消除。LPBF合金材料各向异性的微观结构和机械性能至今仍未能被广泛理解，这种知识的缺乏导致LPBF技术在工业应用中的稳定性难以得到保证。

本文主要研究热处理对LPBF Ti-6Al-4V的择优取向和各向异性力学性能的影响。利用电子背散射衍射（EBSD）结合断口分析，确定了择优取向和柱状晶在塑性变形和断裂中的作用。讨论了不同热处理状态下的微观组织、择优取向、缺陷、力学性能和断裂行为之间的关系。

成果介绍

（1）在LPBF样品中，主要的显微结构是α′马氏体，具有弱的{11-20}择优取向，取向接近打印方向（图1a中竖向）。此外，在LPBF工艺的快速冷却之后，少量残存的β相具有强的{100}择优取向。经750-950 ℃热处理后，α′马氏体完全转变为α + β相。随着热处理温度的升高，合金中的α相在{11-20}择优取向和{0002}择优取向逐渐增强，特别是在950 ℃热处理后。图1为不同热处理条件下的XZ平面上α/α′相的EBSD结果。

图1 不同样品XZ平面上α/α′相的EBSD反极图和极图。（a）LPBF、（b）HT750、（c）HT850、（d）HT950

（2） 在LPBF样品中残存一些总体积占比为0.03%的盘形孔。并且在LPBF、HT750和HT850条件下，H样品（Horizontal，加载方向和打印方向垂直）的抗拉强度和伸长率同时略优于V样品（Vertical，加载方向和打印方向平行）。这种现象与盘形孔的形态和分布有关。V样品中的盘形孔在承载截面的投影面积更大，对性能的影响更大，从而降低了强度和延性。图2为不同热处理状态下，不同取向的拉伸性能的对比。

但图2b中结果显示，经950 ℃热处理后，V试样的断后伸长率反而超过H试样。另外，在图3d和图4d中的HT 950-V和HT 950-H试样的断裂表面上没有发现盘形缺陷。这表明这些缺陷不影响断裂，且不影响HT 950-V和HT 950-H样品的机械性能。这可能是由于热处理温度升高到一定程度，合金中的α相在{11-20}择优取向和{0002}择优取向上逐渐增强，从而导致变形和断裂行为发生明显变化。

图2 不同热处理状态下，不同取向LPBF Ti-6Al-V的机械性能对比（a）抗拉强度、（b）断后伸长率

图3 不同条件下V样品的拉伸断裂面。（a）LPBF-V、（b）HT750-V、（c）HT850-V、（d）HT950-V

图4 不同条件下H样品的拉伸断裂面。（a）LPBF-H、（b）HT750-H、（c）HT850-H、（d）HT950-H

（3）当HT温度从850 ℃提高到950 ℃时，α相在{11-20}择优取向和{0002}择优取向上逐渐增强，各向异性力学性能的趋势发生了逆转。对于棱柱滑移系统，HT 950-V和HT 950-H的平均施密特因子分别为0.41和0.27。因此，HT 950-V比HT 950-H试样更容易产生塑性变形，具有更高的伸长率和更低的抗拉强度。

表1 LPBF和HT样品按照加载方向计算的平均施密特因子

致谢

感谢台湾科学技术委员会在105-2218-E-027-003和110-2221-E-027-043项目下的支持。Yen H.W.和Tseng Y.J.感谢台湾科学技术委员会在111-2622-E-002-028和109-2628-E-002-009-MY3项目下的支持。Wang P.和Wu M.W.感谢台北科技大学-深圳大学联合研究计划（项目编号：2022010和SZU-111-04）的支持。作者们还感谢Atomic Craft Corp.为他们制作LPBF Ti-6Al-4V样品，以及台湾大学仪器中心的C.S. Lin教授和Y.T. Lee女士在EBSD实验中的帮助。本文通讯作者：吴明伟（台北科技大学）。

本期小编：董乃健（整理）

闵　琳（校对）

舒　阳（审核）

闵　琳（发布）