金屬增材制造技術也被稱為3D打印技術，因其具有區別于傳統成形方式的逐點逐層成形工藝特點，使得復雜零部件的直接制造成為可能，在航空航天等高端制造領域受到廣泛關注。然而，由于其成形過程中極高的溫度梯度，最終形成的宏觀晶粒往往為柱狀晶粒，其顯微組織和力學性能呈現出強烈的各向異性，即平行與垂直于沉積方向（打印高度方向）的強塑性具有較大差異。而等軸晶組織的實現一直被認為是解決這一問題的最佳方案，目前已有研究者提出了多種調控手段，如優化成形工藝條件、改變合金化學成分、附加鍛壓或超聲設備等。然而對于大部分金屬材料，尤其是應用最為廣泛的TC4鈦合金，成形工藝優化一直被認為無法獲得全等軸晶組織。但成形工藝調控具有低成本附加，不改變合金成分，可實現原位調控的優勢，仍是潛在的優選措施。
近日，西北工業大學增材制造研究團隊通過深入分析金屬增材制造熔池特征和凝固過程中的晶粒生長行為，創造性地提出了一種原位工藝參數調整策略，該技術方案通過保留熔池頂部CET獲得的等軸晶粒，在TC4鈦合金中獲得了全等軸晶組織。相關工作以“In-situ grain structure control in directed energy deposition of Ti6Al4V”為題在增材制造領域頂刊Additive Manufacturing上發表。西北工業大學王猛教授，林鑫教授和陳靜教授為通訊作者。
原文鏈接:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860422002640
在鈦合金增材制造過程中，受控于成形工藝參數及其形成的熔池內部溫度場特征，熔池底部往往生長為柱狀晶，而熔池頂部由于發生柱狀晶/等軸晶轉變（CET），往往形成一定厚度的等軸晶區。在傳統的單一成形工藝參數條件下，由于后一層沉積時再熔化深度大于等軸晶區厚度，等軸晶區會在下一層沉積過程中被完全重熔，從而在成形結構中形成從結構底部到頂部外延生長的柱狀晶組織。
基于增材制造過程逐點、逐線、逐層工藝調控的靈活性，該項研究通過在不同層間切換低能量密度和高能量密度成形參數，使熔池頂部的等軸晶區被部分保留，有效阻斷了柱狀晶的外延生長。與此同時，以等軸晶粒為基底再次生長柱狀晶粒時，由于存在晶粒競爭生長，獲得的外延生長晶粒形態向等軸晶逼近。結合增材制造過程中后熱循環作用下的晶粒粗化行為，最終獲得的沉積態組織呈現為全等軸的晶粒形貌。
圖1交替參數成形工藝（APP）樣品沉積策略示意圖。(a) 周期性交替使用1200 W和2400 W的激光功率；(b) 周期性交替使用10 mm/s和20 mm/s的掃描速度
圖2 傳統成形工藝（CPP）與交替功率成形工藝（APP）獲得的宏觀晶粒形貌。(a) CPP-1200 W；(b) CPP-2400 W；(c)APP-1200 W&2400 W。
圖3 傳統成形工藝（CPP）與交替掃速成形工藝（APP）獲得的宏觀晶粒形貌。(a)CPP-10 mm/s；(b) CPP-20 mm/s；(c)APP- 10mm/s & 20 mm/s。
圖4 傳統成形工藝（CPP）與交替參數成形工藝（APP）宏觀晶粒EBSD圖及極圖。
圖5交替參數成形工藝（APP）三個不同截面的晶粒EBSD圖及相應極圖
從宏觀晶粒形貌光鏡圖和EBSD圖中可以看到，通過交替使用兩套不同的成形工藝參數，宏觀晶粒形貌由任何一個單一參數時的粗大柱狀晶，轉變為交替參數時的等軸晶。進一步的α相和β相極圖分析表明，所獲得的全等軸晶結構織構強度明顯降低，在三個不同平面上具有相近的織構指數。
圖6 (a) 傳統成形工藝（CPP）與交替參數成形工藝（APP）獲得試樣橫縱兩向的室溫拉伸性能對比；(b) APP試樣力學性能各向異性與現有文獻報道的對比
在增材制造TC4鈦合金的前期研究中，所獲得的宏觀晶粒主要為柱狀晶粒，因此即使通過調控工藝參數的手段降低成形結構的強度指標各向異性，塑性指標各向異性仍然維持在較高水平（>10%）。而本研究中通過形成等軸晶，力學性能強度和塑性的各向異性指標分別降低到2.4%和3.8%。相比于單一成形參數，獲得的力學性能各向異性顯著降低，不僅實現了強度指標的各向同性（<5%），同時實現了塑性指標的各向同性（<5%）。這一研究成果有望提高增材制造鈦合金零件結構的設計自由度，并進一步推動增材制造技術在航空航天領域的廣泛應用。
圖7 增材制造過程中TC4鈦合金的CET行為及APP試樣中獲得等軸晶的原理
圖8 APP試樣等軸晶形成原理示意圖
該研究通過周期性改變成形工藝參數，充分利用增材制造熔池凝固過程中熔池頂部CET等軸晶區，結合晶粒競爭生長和熱循環粗化，在增材制造TC4鈦合金中獲得了全等軸晶的晶粒形貌和各向同性的優異力學性能。由于CET是金屬增材制造中的普遍現象，因此該技術方案在其它希望獲得等軸晶的合金體系中也有望獲得應用?？偟膩碚f，本研究充分利用了增材制造過程中工藝參數可實時靈活調控的特點，通過一個較為便捷的方案，解決了一個多年來被業界廣泛關注的問題。
*感謝論文作者團隊對本文的大力支持。
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