激光增材TB6钛合金板拉伸组织演变：β 晶界裂纹抑制与 α 簇物相及滑移带调控

引言

TB6钛合金是一种由α相与β相组成的材料，因具备优异综合性能（高强度与耐腐蚀），在航空元件､高精度设备和机电设备行业中都发挥着举足轻重的作用[1]。但由于钛合金的加工难度较大，导致钛合金造价比钢铁成本高出近10倍，限制了进一步应用推广。钛合金TB6是一个物相转变成分，采用分层累加的成型方式生产制品时会出现底部凝固组织转异化的问题，生成特定方向具有凝固倾向性的组织[2]。目前，许多研究人员都对钛合金TB6进行了相关研究。李怀学等[3]研究TB6钛合金沉积态的沉积态组织为等轴晶，拉伸断口为沿晶/穿晶混合断裂方式，发现热等静压工艺可以有效调控激光直接沉积TB6钛合金的组织及性能。李长富等[4]研究不同热处理对激光沉积制造TB6钛合金力学性能的各向异性影响，激光沉积制造钛合金组织中原始β晶粒形状与初生α相，热处理后力学性能得到加强。

激光技术是将光源聚焦到的能量作用到粉末上使其融化成型的方法，实现对粉末加热和熔融的增材制造[5]。但这种激光加工方式易引起缝隙缺陷，产生的气相可能在冷却阶段混入金属液体内形成气泡，导致不可融合缺陷出现。这些冶金成型问题是初始裂纹的主要形成原因。张文博等[6]通过增材制造TC4钛合金，通过高温退火对激光增材件的组织和力学性能进行加强，使得显微硬度下降，抗拉强度略有增加，屈服强度略有下降。韦玉堂等[7]选择激光熔覆技术在GH586合金表面制得了CoCrAlSiHf涂层，涂层包含网状结构组织，在晶界上形成大量微裂纹结构，实施氧化处理后得到了含有许多微孔结构的氧化膜。

到目前为止，许多研究人员都已开展关于TB6钛合金的拉伸特性研究，而对TB6钛合金的断裂机理开展的研究工作主要还是从断裂区微观组织特征并结合相应的力学行为进行推测，很少有人研究有关TB6钛合金的在线拉伸试验工作。本文在前人研究的基础上，通过激光增材技术制备TB6钛合金，并对试样拉伸组织演变开展实验测试分析。

1、实验材料和方法

本研究选择外径尺寸介于50~200μm的合适TB6钛合金板。采用常规制造方式如铸造和锻造方式时，都会产生大量废渣，从而降低利用率，尤其是在铸造生产过程中容易出现缩孔现象，这增加了制造难度[8]。激光增材工艺是依靠激光热量将熔池中合金粉末进行升温熔融，同时持续向熔池内增加合金粉末，分层累加后达到形成立体增材试样的效果。激光增材是通过光纤激光器往复扫描来完成对TB6合金粉末加热的目的，参数设定为：扫描速度(800~1200)mm/min，束斑直径8mm，粉末输送量900g/h，厚度0.7μm，控制氩气通入。激光增材制造现场图片见图1。

本实验采用与激光走刀相同方向进行刻蚀的方式，获得形状规则与尺寸46mm×5mm×0.7mm的拉伸钛合金试验块。采用Al₂O₃粉末颗粒对钛合金不规则粗糙面进行磨削，经过上述处理后的磨制表面形成了平整､光滑且具有反射光泽的金属外观。最后在室温下放置24h后，再对表面采用高纯N₂吹扫清理残余水分。

拉伸形变在AGS-X10KN电子万能试验机上进行，拉伸试样厚度1mm，标距长为25mm，拉伸速率0.1mm/min，每组试样试验三次取均值。利用JSM-6360LV扫描电镜表征试样的组织演变。

2、实验结果与讨论

2.1TB6钛合金的组织形貌

激光增材制造TB6钛合金的SEM图像见图2。从图2可以观察到：在当前条件下合金材料中形成了大量柱状β晶组织，并且排列方向与堆积取向是相同的。这是因为激光增材时存在较大的热梯度，进而引发垂直物相表面发生了热流，此时在热流的作用下，堆积层形貌会产生排列增长，导致排列增长方向与堆积取向一致[9]。从微观结构层面进行分析可以观察到合金组织构型，β晶界形成了垂直形态分布结构，而β晶附近则形成了大量平行分布的α晶块和α簇物相，α相组织长宽比约为[原文未明确数据]，实际冷却速度并不快。

2.2拉伸变形过程

不同拉伸位移下TB6钛合金滑移带的SEM图像见图3。图3显示：合金拉伸位移550μm中已经开始出现大量滑移带，并沿着与β晶界相同的方向进行延展，见图3(a)；随着变形程度的加大，形成了更加无序排列的组织结构，见图3(b)。由于钛合金α和β相存在非常明显的晶体结构差异，因此在塑性变形期间，两者并不能够形成良好的协调配合，致使最初出现在α相内的滑移组织基本都发生于α相表面层，而当位移量继续增大时，可以看到此时合金中形成了无规则排布的晶粒，且滑移方向出现了显著改变，从而形成交错型滑移带[10]。随着滑移带的占比持续增加后，合金中组织结构开始从平坦化特征变形为有着明显高低结构的形态，并且伴随α组织片层发生扭卷与延伸现象。

随着拉伸位移的增加，α相变得较复杂，β晶界出现了明显下陷的现象，产生了凸起结构的β晶组织，且伴随着裂纹的形成。初生β晶界上产生了清晰的微裂纹，并沿约45°角的方向分布在β晶界上，裂纹沿着β晶界进一步扩展，并在β晶界上方形成了裂纹条带。拉伸位移增加到800μm后，裂纹仍沿β晶界扩展，说明β晶界对于裂纹扩展起到了明显抑制作用。黄琪等[10]研究激光增材修复钛合金的组织及力学性能，热影响区组织呈现由双态组织向网篮组织的过渡特征，拉伸断口特征断裂机制为混合型断裂。

当发生断裂后，靠近孔洞部分有众多β晶界发生断裂，但断裂过程并非沿着滑带方向，与β晶界长大方向接近。对拉伸断口区域进行分析时，未观察到颈缩区，此时β晶都垂直于拉力方向，对拉力的传递起到了阻碍作用，从而导致合金伸长率的减小，形成明显的剪切断口特征[11]。随着变形程度的加大，形成了更加无序排列的组织结构[12]。当以较快速度降低温度时，残留β相就沿堆积取向进行垂直成长，使裂纹更倾向于沿β晶界发生扩展。

3、结论

本文开展激光增材制造TB6钛合金拉伸组织演变研究，取得如下有益结果：

合金中形成了大量柱状β晶组织，β晶界形成了垂直形态分布结构，β晶附近形成了大量平行分布的α晶块和α簇物相。

合金中开始出现大量滑移带，沿着与β晶界相同的方向进行延展。随着滑移带的占比持续增加后，合金中伴随α组织片层发生扭卷与延伸。

参考文献

[1]马尹凡，樊江昆，唐璐瑶，等。激光选区熔化成形高强钛合金研究现状及展望[J].稀有金属材料与工程，2025,54(1):280-292.

[2]张帅，王德，王文琴，等。脉冲TIG增材修复TB6钛合金组织和性能优化[J].材料工程，2024,52(11):133-140.

[3]李怀学，巩水利，费群星。热等静压对激光直接沉积TB6钛合金组织和拉伸性能的影响[J].应用激光，2011,31(1):45-49.

[4]李长富，钱鑫，杨光，等。激光沉积制造TB6钛合金热处理与各向异性研究[J].材料工程，2025,53(3):169-177.

[5]王华明，王玉岱。高性能金属结构材料激光增材制造技术研究进展[J].钢铁钒钛，2024,45(6):1-6.

[6]张文博，胡京伟，刘炳森，等。热处理对激光增材制造TC4ELI显微组织与拉伸性能的影响[J].航空制造技术，2024,67(18):37-45.

[7]韦玉堂，崔素华.Hf添加对GH586合金激光熔覆CoCrAlSi涂层组织高温氧化的影响[J].材料保护，2020,53(3):32-35.

[8]李明祥，张涛，于飞，等。金属电弧熔丝增材制造及其复合制造技术研究进展[J].航空制造技术，2019,62(17):14-21.

[9]高晓龙，李海军，刘晶，等。低温对TC4脉冲激光焊接接头组织和性能的影响[J].材料科学与工程学报，2017,35(5):836-840.

[10]黄琪，高旭，刘栋，等。激光增材修复Ti60钛合金显微组织及力学性能[J].稀有金属材料与工程，2024,53(4):1058-1064.

[11]隋旭东，李国建，王强，等。钛合金切削用Ti1-xAlxN涂层的制备及其切削性能研究[J].金属学报，2016,52(6):741-746.

[12]李安海，赵军，罗汉兵，等。高速干铣削钛合金时涂层硬质合金刀具磨损机理研究[J].摩擦学学报，2012,32(1):40-46.