于文泽, 刘宇珂, 王福斌, 曾禹周, 佟运祥. 外场辅助定向能量沉积钛合金研究进展[J]. 中国有色金属学报, 2024, 34(8): 2641−2660.

钛合金凭借高强度、低密度与高断裂韧性等优异性能获得了广泛应用，但由于其对微裂纹的高敏感性，传统的铸造和机械加工的方法会造成材料的大量浪费。定向能量沉积(Directed energy deposition, DED)为制造钛合金零件提供了一种更有效的加工路径，但该工艺仍然存在着若干问题，如粗大柱状晶、各种缺陷以及力学性能各向异性等。为改善上述问题，外场辅助被引入钛合金的定向能量沉积工艺中。目前辅助外场包括形变场、声场及磁场，形变场使沉积层产生塑性变形促使材料发生再结晶从而改变微观组织；声场利用空化和声流效应消除缺陷和破碎枝晶；磁场主要利用电磁力使枝晶破碎来调控微观组织。上述外场的引入在不同程度上克服了DED的局限性，表现出易于调控微观组织、减小孔隙率、降低残余应力和改善力学性能等优点。本文回顾了近年来有关外场辅助定向能量沉积技术制备钛合金的研究进展，介绍了该领域几种不同类型外场辅助工艺的技术原理，总结了外场辅助DED钛合金微观组织与力学性能的演化规律，阐明了外场辅助对钛合金微观组织的调控机制以及力学性能影响机理，并展望了外场辅助DED钛合金的未来发展趋势。

在增材制造过程中引入外力使沉积层发生塑性变形，在下一层沉积时，塑性变形部分可能发生再结晶，从而改变材料微观组织与力学性能。根据其塑性变形的特点，上述外场被定义为形变场(Deformation field, DF)。根据引入外力的方式可将形变场分为滚压(Rolling)、超 声冲击(Ultrasonic impact treatment, UIT)和激光冲击(Laser shock peening, LSP)。图1所示为形变场辅助DED示意图。图1(a)和(b)所示分别是滚压辅助激光定向能量沉积(Laser-directed energy deposition, LDED)和电弧熔丝增材制造(Wire and arc additive manufacturing, WAAM)示意图。滚压辅助增材制造一般由移动辊沿着增材制造扫描方向施加压力，使样品发生塑性变形以达到细化晶粒和降低残余应力的目的。超声冲击是一种通过冲击杆将冲击能量传递到样品表面使样品强化的表面处理方法。超声冲击设备有三个主要的工作部件，分别为换能器、变幅杆和冲击撞针。在工作过程中利用换能器将电能转换为高频率的振动，通过变幅杆驱动冲击撞针以超过20 kHz的超声频率撞击材料表面。材料发生塑性变形导致材料发生再结晶、位错增殖和晶粒细化等微观组织变化，从而达到调控材料力学性能的目的。图1(c)和(d)所示分别是超声冲击辅助LDED和WAAM示意图。激光冲击是在传统喷丸基础上发展的一种利用超短脉冲激光束的表面改性技术。图1(e)和(f)所示分别为激光冲击辅助LDED和WAAM示意图。该工艺具有灵活可调节的激光工艺参数（脉冲宽度、激光能量、光斑直径、光斑重叠率）和可控制的加工路径。

图 1 形变场辅助DED示意图：（a）滚压辅助LDED；（b）滚压辅助WAAM；（c）超声冲击辅助LDED；（d）超声冲击辅助WAAM；（e）激光冲击辅助LDED；（f）激光冲击辅助WAAM

图2所示为超声振动辅助DED示意图。一般来说，根据超声是否直接作用在熔池，可将超声振动装置分为两类，一类将超声装置安装在基板上，超声波通过基板间接作用在熔池中，如图2(b)和(d)所示。这类装置的优势在于结构比较简单且不与熔池直接接触，但缺点也十分明显，随着样品高度的增加，声波振动的作用衰减，因此这种方式并不适用于尺寸较大的样品。另一类装置是将超声振动设备随着激光束或者电弧进行同步移动，超声波直接作用在熔池中，如图2(a)、(c)所示，这类装置不受样品高度限制，可以使样品在制造过程中始终承受恒定的声波强度。这种在样品沉积层上施加超声振动的方式对金属成型影响显著，金属沉积层会发生明显变形。沉积层变形随着沉积层高度的增加变得严重，并且随着激光与距离的减小，沉积层会出现更高程度的变形。

图 2 声场辅助DED示意图：（a）移动超声振动辅助WAAM；（b）基板超声振动辅助WAAM；（c）移动超声振动辅助LDED；（d）基板超声振动辅助LDED

图3所示为超声波对熔池影响示意图，熔池主要是受到声流与空化效应的作用，改变熔池流动与温度梯度，从而影响熔池凝固过程中液固界面的稳定性。声流与空化效应的作用效果主要体现在两个方面：1）减少未熔合和气孔等缺陷；2）晶粒细化。声流是由于超声波作用引起熔池的稳定流动。当声波在流体中传播时，它会产生不同的压力区域。这些压力波动在流体中引起流动，产生混合和搅拌作用，有效减少未熔合等缺陷，且声流还可以有效促进热能交换，熔池流速加快并增加散热，实现更均匀的温度分布和更小的温度梯度。空化效应是不稳定的脉冲气泡在熔池中形成、长大并崩塌，是一种动态现象。熔池中坍塌的气泡会产生相当大的冲击力，可以有效破坏团聚的材料。在这种情况下，气泡很容易在熔池凝固之前从熔池中逸出，从而减少气孔缺陷。

图 3 超声波对熔池影响示意图

磁场(Magnetic field, MF)作为一种高效、清洁且非接触的辅助外场，可以用来控制微观组织细化与均匀化。图4所示为磁场辅助DED示意图。通常根据磁感应强度和方向是否变化将磁场分为静磁场与动磁场。

图 4 磁场辅助DED示意图：（a）静磁场；（b）动磁场

磁场辅助增材制造时，金属熔池主要受到磁阻尼效应和热电磁效应的影响。磁阻尼效应是指当金属熔体流动时会切割磁感线产生感应电流，磁场与感应电流相互作用会产生与流动方向相反的力，进而抑制熔体流动。热电磁效应是指在金属凝固过程中，枝晶上端和下部分别与金属液体相接触时会产生热电电流，而热电电流与施加的磁场相互作用形成热电磁力；在热电磁力作用下，枝晶周围会形成热电磁对流。前者有助于释放熔池中滞留的气体，降低材料的孔隙率；后者则因热电磁力破碎熔体中的枝晶，可提高形核率。图5所示为磁场作用下晶粒细化示意图。该图直观地表明在磁场作用下，破碎的枝晶成为形核质点而细化晶粒。

图 5 磁场作用下晶粒细化示意图

图6所示为形变场辅助DED钛合金的部分典型微观组织衍变，具体包括位错密度增加、出现机械孪晶、晶粒取向变化、形成纳米结构α相和α相界面弯曲等。图6(a)所示为经过激光冲击辅助LDED制备TA15钛合金，可见晶粒内部产生大量机械孪晶和高密度位错，这是沉积层塑性变形的结果。形变场对DED钛合金的晶粒尺寸也会造成影响。TIAN等利用滚压辅助将LDED Ti6Al4V合金β晶粒的粒径从532 μm减小到 132 μm（见图 6(b)）。形变场还会影响DED钛合金的晶粒形貌，施加形变场后钛合金容易形成竹节状组织。YANG等在WAAM Ti6Al4V合金中采取逐层超声冲击，将粗大柱状β晶粒（平均晶粒宽度为785 μm，长宽比为 3.42）转变为短柱状晶（平均晶粒宽度为371 μm，长宽比为2.16）和等轴晶（平均晶粒尺寸 186 μm，长宽比为1.33）交替的竹节状组织，试样的光学显微组织和示意图如图6(c)所示。WANG等系统研究了逐层超声冲击对DED制备Ti6Al4V合金微观组织的影响，发现引入超声冲击可以在合金中形成纳米尺度的α相，符合Burgers位向关系的α相比例减小与α相界面变弯曲等微观组织变化。这是由于逐层超声冲击和沉积过程热效应两者作用的结果。α相界面因受超声冲击的作用而出现弯曲，在随后的沉积加热过程中，α相向β相转变需通过α/β相界面移动来实现。为了保持晶粒结构的完整性，需通过剪切滑移来减少变形，而相界面出现弯曲的α相需更多的剪切滑移才能使界面移动。因此，α相中的畸变大量增加，且当温度快速下降后，高温的β相转变为α相，α相中的畸变进一步增加；在相界面移动过程中，为了保持材料的连续性，在破裂和保留的β相内形成纳米尺度的α相（见图6(d)）。通常来讲，DED制备钛合金会形成沿着沉积方向的柱状晶且晶体织构较强。图6(e)所示为滚压辅助WAAM制备Ti6Al4V合金织构的变化。在未经过外场辅助的Ti6Al4V合金中，〈001〉方向晶体织构比较强，而引入外场后，其晶粒取向分布更加均匀。

图 6 形变场辅助下钛合金微观组织（a）位错及孪晶；（b）晶粒细化；（c）竹节状组织；（d）超细α相；（e）织构改变

图 7 柱状晶与等轴晶合金受力情况示意图：（a）拉伸力垂直于柱状晶界；（b）拉伸力平行于柱状晶界；（c）等轴晶晶界受力情况

声场辅助DED制备钛合金利用声流与空化效应对枝晶影响，图8所示为声场作用下钛合金几种典型的微观组织变化。声场对钛合金微观组织主要的影响在于对晶粒尺寸的调控、柱状晶−等轴晶转变、改善织构及增强相的分散。TODARO等发现LDED制备的Ti6Al4V合金中β晶形貌是穿过多个沉积层的柱状晶，平均晶粒宽度为500 μm，长宽比是4，相比之下，采用超声振动处理后Ti6Al4V合金β相转变为近等轴状，平均晶粒尺寸减少到 117 μm，同时无论是α相还是β相织构均发生明显变化，MUD分别从4.5下降到2及从6下降到2.7（见图8(a)、(b)）。由于声流效应对熔池产生的搅拌效果，目前声场辅助在减少颗粒团聚方面也显示出巨大作用。由图8(c)可见，增强颗粒在声场辅助下中分散得更加均匀。

图 8 定向声场辅助下钛合金的微观组织：（a）织构改变；（b）晶粒细化；（c）增强相均匀分散

图9所示为磁场辅助下钛合金微观组织的变化，包括影响晶粒尺寸、晶粒取向及晶界连续性。LDED制备的Ti6Al4V合金中存在宽度为0.91 mm的粗大柱状β晶，而在经由磁场辅助制备的合金中，这类β晶已转变为宽度为0.57 mm的细小柱状晶，织构强度也有一定程度削弱（见图 9(a)）。相似地，对于WAAM制备的Ti6Al4V合金，经磁场辅助制备的合金中，α板条平均宽度减少了30%~40%，且α相中〈1210〉方向的强织构被〈0001〉方向的织构所取代（见图9(b)）。此外，磁场辅助下晶界也存在一定变化。如图9(c)所示，经过磁场辅助制备的Ti6Al4V合金中连续α晶界转变为不连续α晶界。

图 9 磁场辅助下钛合金微观组织变化：（a）晶粒细化及改变织构；（b）改变晶体取向；（c）不连续的α晶界

Ti6Al4V合金作为目前应用最广泛的钛合金，目前国内外已经有许多研究人员使用外场辅助DED的方法进行制备。外场辅助DED制备的Ti6Al4V合金力学性能的变化如图10所示。与无外场辅助相比，外场辅助DED制备的Ti6Al4V合金的强度和延伸性均有所提高，并且大部分达到了ASTM F136的标准。

图 10 有或无外场辅助定向能量沉积制造Ti6Al4V合金的力学性能

在三种外场辅助下，钛合金微观组织主要发生了高密度位错增殖、晶粒细化、柱状晶−等轴晶转变、晶粒形貌及织构的变化等现象。图11总结了外场辅助DED钛合金的机制和作用效果。三种外场辅助DED的作用机制并不相同：形变场主要对沉积层进行塑性变形使位错大量增殖并促进再结晶。声场主要由于声流和空化效应，利用气泡破碎瞬间产生的冲击力使枝晶破碎成细小碎片，充当非均匀形核的形核质点。磁场主要通过电流与磁场之间产生的热电磁力折断熔体内部的枝晶。三种外场均对DED钛合金微观组织及力学性能产生了有利影响。

图 11 辅助外场的作用机制及对钛合金微观组织及性能的影响

佟运祥，博士，哈尔滨工程大学教授、博士生导师。主持国家重点研发计划、国家自然科学基金、黑龙江省自然科学基金、教育部博士点基金等科研项目20余项。近年来在Acta Mater、Scripta Mater、JMST、J Alloys Compd、Mater Sci Eng A、Mater Lett等期刊上发表SCI收录论文100余篇。社会兼职包括美国材料信息学会会员、中国生物材料委员会会员、黑龙江生物医学工程学会会员，中国有色金属学报中英文版青年编委等。研究方向主要集中在Ti基形状记忆合金及其智能结构、增材制造金属材料、大塑性变形制备超细晶金属材料研究。

于文泽，硕士研究生，研究方向为增材制造Ti合金，以第一作者发表EI论文1篇

刘宇珂，硕士研究生，研究方向为增材制造Ti合金，以第一作者在Journal of Materials Research and Technology期刊发表SCI论文1篇

王福斌，博士研究生。研究方向为增材制造TiNi基合金，以第一作者在 Mater Sci Eng A、Journal of Materials Research and Technology等期刊发表SCI论文4篇，授权发明专利2项。

曾禹周，博士研究生。研究方向为增材制造Ti基复合材料，以第一作者在Composites Part A，Materials Letters等期刊发表SCI论文2篇，公开发明专利3项。