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据悉，西安交通大学、西安科技大学、西安增材制造国家研究院有限公司和西安航空动力控制公司科研人员报道了新型连续激光粉末床熔融TA15钛合金:组织与性能。相关研究以“A novel laser continuous powder bed fusion of TA15 titanium alloy: Microstructure and properties”为题发表在《Journal of Materials Research and Technology》上。

本研究介绍了一种新型激光连续粉末床熔融(L-CPBF)工艺技术，该技术专为具有环形中空结构的复杂部件的增材制造而量身定制，同时强调精度和效率。利用这种先进的L-CPBF方法，成功制备了Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V (TA15) 钛合金样品，并对其组织和性能进行了研究。通过田口试验确定了TA15 L-CPBF 加工的优化工艺参数窗口，范围为100 J/mm3至125J/mm3，样品的相对密度达到了99.95%。通过SEM和EBSD等表征方法揭示了不同体积能量密度(VED) 下的显微组织演变。在初始冷却阶段观察到了针状α′-马氏体的形成，热循环温度在不同尺寸马氏体的形成过程中发挥了关键作用。此外，通过优化工艺，还获得了优异的力学性能，拉伸强度为1200.5±98.5 MPa，屈服强度为1109±102 MPa，伸长率为7.05±1.35%。这些力学性能与传统往复式刮刀撒粉L-PBF制备的TA15合金相当。不过，科研人员的方法大大提高了制造效率，比传统方法高出45%以上。总之，这项研究提供了宝贵的理论和实验见解，为加速航空航天等高要求领域中空环形部件的增材制造铺平了道路。

关键词：激光连续粉末床熔融;TA15(Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V);显微组织;力学性能

TA15(Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V)是一种优异的近α钛合金，其特点是铝含量高。这种独特的成分使合金具有出色的耐高温和抗蠕变变形性能。因此，TA15 被广泛应用于飞机部件，如飞机发动机外壳、承重结构件和涡轮叶片。L-PBF(激光粉末床熔融)因其卓越的制造精度和表面粗糙度而脱颖而出，因此在生产复杂部件方面蕴藏着巨大的潜力。世界上许多国家和机构都在积极开展旨在提高L-PBF效率和质量的研究。这些研究涉及如材料开发、成型参数优化、制造过程模拟和缺陷形成分析等多个方面。

然而，在全面了解连续激光打印引起的热效应方面还存在相当大的知识差距。值得注意的是，有关制造过程中各种组织的分布和形态的系统分析非常缺乏。此外，现有资料未能全面研究通过L-CPBF制成的TA15样品的组织变化。本研究通过对制造过程中各种组织的分布和形态进行深入研究，弥补了上述不足。具体而言，研究重点在于阐明使用L-CPBF 技术制造的 TA15样品的组织变化。研究结果阐明了组织变化与能量密度之间的关系，从而为确定TA15 航空发动机部件的最佳加工参数奠定了理论基础。

图 1.(a) L-CPBF示意图 (b)L-CPBF设备。

图 2.(a) TA15粉末形态 (b)粒径分布。

图 3.(a) 扫描策略;(b) 利用L-CPBF制备的立方体;(c)利用 L-CPBF制备的拉伸样品;(d)拉伸样品的尺寸。

图 4.(a) L-CPBF制备的TA15样品的相对密度 (a) S05 (b) S09 (c) S11。

图 5.L-CPBF制备的TA15的显微组织：(a)XOZ面的OM;(b)XOY面的OM;(c)XOZ面的扫描电镜;(d)不同马氏体的扫描电镜图像。

图 6.组织形成过程示意图。

图 7.TA15 样品的 XRD。

图 8.TA15 样品的 EBSD 图像：(a, d) S06 (b, e) S11; (c, f) S16。

图 9.不同VED下的再结晶响应分布(a, d)83.3 J/mm3;(b, e)100 J/mm3;(c, f)125 J/mm3。

图 10.不同VED下的KAM差值分布(a)83 J/mm3;(a)104 J/mm3;(a)125 J/mm3;(d)KAM 百分比。

图 11.不同VED的Schmid图和统计数据：(a，d)83 J/mm3;(b，e)104 J/mm3;(c，f)125 J/mm3。

图 12.用L-CPBF扫描TA15样品的力学性能：(a)显微硬度;(b)不同激光功率下的水平样品;(c)不同扫描速度下的水平样品;(d)不同激光功率下的垂直样品。

图 13.拉伸样品的断裂图(a，d)S06;(c，e)S11;(d，f)S16。

图 14.断裂过程。

该研究将大大有助于提高TA15的材料性能，从而推动增材制造领域的发展。通过深入了解组织与能量密度之间的关系，制造商可以对加工参数进行微调，以获得所需的材料性能，如更高的强度、延展性、抗疲劳性和耐腐蚀性。这种优化可以为可靠性和性能至关重要的航空航天应用生产出高性能的TA15部件。

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