面向海洋环境的Ti80钛合金增材制造工艺对比与选型：CMT-WAAM工艺抗拉强度略高但组织与力学性能各向异性明显、孔缺陷较大；LCMT-WAAM工艺通过复合热源优化，为船舶焊接结构件、深潜器耐压壳体等不同需求场景提供精准工艺选型依据

引言

近年来，海洋经济建设发展成为推动高质量发展的重要部分，海洋产业体系不断完善，涵盖海洋渔业、港口物流、海洋制造装备等多个领域[1-2]，而钛合金以其材料轻质、比强度高及优异的耐腐蚀性能，被誉为“新型海洋金属材料”[3]，在海洋经济建设发展中发挥重要作用。Ti80合金是我国自主研制的近a钛合金，其成分为Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo，国标TA31，因其优异的性能，可用于高压容器、深潜器的耐压壳体、船舶焊接结构件等[4]。电弧熔丝增材制造(WAAM)是金属增材制造的方式之一，以电弧为热源，金属丝为原料，在自动化和数字化技术的帮助下，已被应用于各种工业领域[5-8]。WAAM的优点包括高沉积速率、高材料利用率、短生产周期等。较高的沉积速率可以提高生产效率，高效的材料利用率可以有效降低生产成本[9]。然而，在WAAM制造过程中，较快的冷却速度会导致不均匀组织形态的生成，材料的各向异性明显[10]，在不同方向上的力学性能存在差异。黄健康等[11]在研究钛合金电弧增材制造工艺中指出，由于增材过程中的冷却速率过快，钛合金组织中易出现马氏体、针状α相、魏氏体相等。同时，电弧增材制造钛合金构件的残余应力大，表面粗糙度高，尺寸精度低也是限制钛合金材料广泛应用的重要因素。为此，研究人员采取了多场能复合电弧增材(如激光-电弧复合增材(LAHAM)[12]、超声-电弧复合增材(UAHAM)[13]以及磁场-电弧复合增材(MAHAM)[14])等方法来优化WAAM工艺的不足，使组织更加均匀，晶粒更细化，有效降低了材料力学性能的各向异性。

本研究以Ti80合金为研究对象，采用CMT-WAAM和 LCMT-WAAM两种工艺制备钛合金试样，对比研究两种不同工艺下Ti80合金微观组织形态、孔缺陷分布、力学性能的各向异性以及拉伸断裂机理，以期为Ti80合金在船舶重工业领域的发展提供理论支持。

1、试验材料及方法

1.1试验材料

原料采用∅1.2mm的Ti80丝材，采用CMT-WAAM工艺与LCMT-WAAM工艺进行钛合金熔丝增材，其化学成分见表1，以Ti80钛合金板材为成形基板，基板尺寸为200mm120mm6mm。

表1 Ti80合金化学成分

Tab.1 Chemical composition of Ti80 alloy%

1.2试验方法

本试验中增材制造设备包括激光器、电源、送丝系统及CMT电弧增材制造系统，其中激光器采用IPG 10kw光纤激光器，焊接电源采用Fronius CMT焊机，机器人系统为KUKA六轴机器人。图1为CMT-WAAM工艺和 LCMT-WAAM工艺增材路径示意图。CMT-WAAM工艺中电流为110A，电弧电压为14V，送丝速度为1000mm/min;LCMT-WAAM工艺中电流为85A，电压为14V，送丝速度800 mm/min，激光功率为1500W。

采用CMT-WAAM工艺和LCMT-WAAM工艺制备Ti80合金堆积体，用电火花线切割切出Ti80合金试验试样，选用砂纸对试样表面进行打磨、抛光。采用金相显微镜(MS900BD)对Ti80钛合金微观组织进行观测，采用显微CT仪(SKYSCAN1272)对试样进行扫描，观测两种工艺下Ti80合金的孔缺陷分布情况，采用万能拉伸机(CMT5205)对拉伸试样进行力学性能试验,采用扫描电镜(ApreoS HiVac)对试样断口形貌进行分析。

1.3取样方式

在两种工艺制备的Ti80合金中，沿平行于沉积方向(X方向)和垂直于沉积方向(Z方向)各取3个试样，取样示意图及试样尺寸见图2。对12个试样进行编号，见表2。

表2室温拉伸试样编号

Tab.2 Specimen identification for room-temperature tensile tests

2、试验结果与分析

2.1微观组织

图3为CMT-WAAM工艺Ti80合金微观组织。CMT-WAAM工艺Ti80合金X方向的微观组织由等轴状初始α相、β相和针状马氏体α相组成，见图3a;在热循环的影响下，初始α相转变为β相，初始α相的比例和尺寸都减小，从而形成了初始α相、少量针状α相和β相的混合物[15];CMT-WAAM工艺Ti80合金Z方向的显微组织由针状α相、α'相和少量β相组成，见图3b。在增材过程中，初始α相和针状α相转变为β相，在随后的快速冷却过程中部分β相通过无扩散转变为针状 α ′相,而随着冷却速率降低,其余大部分β相通过扩散转变为针状α相[16]。CMT-WAAM工艺使用电弧作为热源时能量输入高,会导致熔池的热流方向单一,热量主要沿沉积方向传导，钛合金的成形过程中，晶粒的生长方向和热流方向一致，在Z方向上形成大量柱状晶，而层间热循环不足以有效打断柱状晶连续生长，导致强织构形成[17]，从而造成X和Z方向的微观组织差异较大。同时，由于热传导路径不同，X方向热量更容易散向周围空气，而Z方向上冷却速率较慢[18]，进一步加剧了微观组织组织的各向异性。

图4为LCMT-WAAM工艺Ti80合金微观组织图。可以看出，显微组织均呈现为网篮组织，且晶粒粗大，由长条状α相和针状马氏体α'相组成。LCMT-WAAM工艺制备的Ti80合金在X和Z方向上的组织特征和尺寸更加接近，这是由于在激光和电弧的双热源作用下，改变了熔池温度场和流动场的分布，激光的高能量密度与快速冷却效应促使晶体在多方向上成核，打破了单一方向柱状晶的连续生长趋势[19]。在复合热源的作用下，熔池经历更为复杂的热循环过程，局部重熔与再凝固过程发生更加频繁，促进了等轴晶的形成进而削弱了织构强度，LCMT-WAAM工艺有效改善微观组织的各向异性[20]。

2.2孔缺陷分析

图5为两种工艺制备的Ti80合金的Micro-CT图，左边阴影图片为Ti80合金试样合金横截面扫描图，将所有截面扫描图进行重构得到钛合金试样局部的三维重构图。图5a可以看出，在CMT-WAAM工艺试样中存在较大的孔缺陷，三维重构图中发现孔缺陷在试样的中部位置，由于CMT-WAAM工艺中单一热源的作用，熔池温度分布不均匀，容易产生局部过热或冷却过快的区域，导致气体未及时逸出而形成孔缺陷[21];图5b可以看出，LCMT-WAAM工艺在激光和电弧双热源的作用下，熔池温度更高且更均匀，局部温度梯度减小，熔池对流和搅拌效应加强，促进熔池内气体有效排出，因而材料中的孔缺陷体积减小[22]。钛合金材料中较大的孔缺陷会破坏材料的连续性，使有效承载面积减小，在受力时容易在孔缺陷处产生应力集中,导致材料的力学强度下降,同时在受到冲击或振动时,裂纹更容易在孔周围萌生和扩展，使钛合金的韧性降低，抵抗断裂的能力减弱。

2.3力学性能分析

图6和图7分别为LCMT-WAAM工艺、CMT-WAAM工艺制备的 Ti80合金在 X和 Z方向的应力-应变曲线及力学性能数据。可以看出，CMT-WAAM工艺制备的 Ti80合金在抗拉强度和屈服强度均略高于 LCMT-WAAM工艺,伸长率相近,但CMT-WAAM工艺 Ti80合金力学性能的各向异性大,会导致材料的安全性降低，疲劳功能下降。采用下式对两种工艺制备 Ti80合金的各向异性值进行计算:

式中, σ_x为 X方向强度; σ_z为 Z方向强度; ε为各向异性值。两种工艺制备的Ti80合金各向异性值见表3。可以看出,采用 LCMT-WAAM工艺制备的 Ti80合金在抗拉强度、屈服强度和伸长率的各向异性均低于CMT-WAAM工艺，分别降低了5.0%、2.5%和26.3%,有效降低了Ti 80合金力学性能的各向异性。在激光和电弧的复合热源下，引起了更强的熔池流动与对流搅拌，抑制了单一方向柱状晶的生长 [23],削弱了钛合金的织构强度,使钛合金在 X和 Z方向上的组织更均匀，进而使两个方向上的力学性能更加接近，钛合金材料力学性能的各向异性降低。

表3 Ti80合金力学性能

Tab.3 Mechanical properties of Ti80 alloy

2.4断口形貌分析

图8通过扫描电镜(SEM)观察了两种不同工艺下试样的断口形貌图。可以发现，两组试样都有明显的韧窝和明亮的白色撕裂棱，呈现出典型的微孔聚集型韧性断裂的微观特征，即在外部载荷力的作用下，微孔洞形核、长大、聚集，最终相互连接，导致试样断裂。同时，在试样中发现了微裂纹，这些微裂纹是由拉伸过程引发的二次裂纹，微裂纹的萌生和扩展会加速拉伸试样的失效，但它也会吸收部分拉伸能量并提高塑性[24]。LCMT-WAAM工艺的复合热源在成形过程中显著改善了熔池的热流场和凝固条件，延缓材料微裂纹的萌生与扩展，使试样在拉伸过程中能承受更大的塑性变形，从而形成更深且密集的韧窝，这表明LCMT-WAAM工艺制备的Ti80合金具有更好的塑性变形能力，这与室温拉伸试验结果相符。

3、结论

(1)采用CMT-WAAM工艺制备Ti80合金，在微观组织上的各向异性明显，在X方向上组织由等轴状初始α相、β相和针状马氏体α相组成，Z方向上组织由针状α相、α'相和少量β相组成，而采用LCMT-WAAM工艺制备的Ti80各向异性有效降低，由长条状α相和针状马氏体α'相组成。

(2)采用CMT-WAAM工艺Ti80合金材料中存在体积较大的孔缺陷，孔缺陷会破坏材料的连续性，LCMT-WAAM工艺Ti80合金材料孔缺陷体积减小，降低了UTS/YS/EI的各向异性并改善均匀性，而强度略有降低。

(3)采用CMT-WAAM工艺Ti80合金微观组织的各向异性造成力学性能的各向异性显著，力学性能的各向异性值均偏高，而LCMT-WAAM工艺Ti80合金的各向异性值有效降低。

(4)两种工艺制备的Ti80合金的断裂方式均为韧性断裂，LCMT-WAAM工艺Ti80合金韧窝深且密集，塑性变形能力更强。

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（注，原文标题：CMT_LCMT电弧熔丝增材Ti80合金力学性能研究）