2025 年 4 月 3 日，兰州理工大学的研究团队在《Journal of Materials Research and Technology》期刊发表最新研究文章 “Titanium alloy functionally gradient materials fabricated by in-situ laser-arc hybrid additive manufacturing”，研究了通过调节氮气流量，利用激光 - 电弧混合增材制造技术制备氮原位增强 Ti6Al4V 梯度材料，并对其微观结构和力学性能进行研究。

功能梯度材料（FGMs）是一种新型先进材料，已广泛应用于各个领域。研究人员通过调节氮气流量，利用激光 - 电弧混合增材制造技术制备了氮原位增强 Ti6Al4V 梯度材料。通过光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM）、X 射线衍射（XRD）、维氏硬度测试、摩擦磨损测试和电子万能试验机对沉积层的微观结构和力学性能进行了研究。结果表明，保护气体中的氮在电弧热作用下电离并与熔池中的 Ti 反应形成强化相 TiN，且 TiN 的数量随着氮流量的增加而增加。TiN 相体积分数的连续变化导致功能梯度材料部件的显微硬度、耐磨性和力学性能发生连续变化。最终制备出的功能梯度材料部件外层具有高耐磨性，内部具有良好的综合力学性能。该研究为高性能低成本钛合金功能梯度材料的增材制造提供了一种新的解决方案。

实验方法

该研究使用商业 Ti-6Al-4V 作为基体和填充丝材，通过增材制造实验系统沉积功能梯度材料部件。实验系统的工艺控制系统控制工件在 X-Y-Z 三维方向的运动，材料沿正 x 轴单向沉积，每层沿负 Y 轴沉积 10 道次，层间重叠率为 50%，共沉积 12 层。为确保激光和电弧的复合效果，对钨电极、激光束等部件的位置和角度进行了设置。通过精确调节氩气和氮气流量并混合后通入 TIG 焊枪，从基体开始每三层改变一次氮气流量，每次增加 0.5L/min。实验后，对样品进行切割，制成压缩、拉伸、摩擦磨损和金相分析等各类试样。利用多种测试技术对试样的微观结构、元素分布、相组成、硬度、力学性能和摩擦磨损性能等进行表征和测试。

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图 1. 增材制造实验系统

图 2. 成分梯度示意图和拉伸试样

图 3. 发射光谱：(a) 激光增材制造，(b) 激光 - 电弧混合增材制造，(c) 250nm - 500nm 局部放大图，(d) 720nm - 900nm 局部放大图

图 4. 不同氮气流量下的电弧图像

图 5. 激光增材制造和激光 - 电弧混合增材制造氮原位增强增材制造过程

图 6. 功能梯度材料部件的宏观形貌：(a) 宏观结构，(b) 样品横截面

图 7. 功能梯度材料不同沉积层的显微硬度

图 8. 不同氮气流量下的 XRD 结果

图 9. 功能梯度材料不同沉积层的微观结构，(a) 和 (b) 为 B1 层，(c) 和 (d) 为 B2 层，(e) 和 (f) 为 B3 层，(g) 和 (h) 为 B4 层

图 10. B4 层微观结构的元素分布

图 11. 功能梯度材料沉积层的 TEM 表征及相应的 SAED

图 12. 功能梯度材料不同沉积层的平均摩擦系数

图 13. 功能梯度材料不同沉积层的平均磨损率

图 14. 功能梯度材料沉积层的磨损轨迹形貌，(a)、(b)、(c) 和 (d) 分别为沉积层 B1、B2、B3 和 B4

图 15. 功能梯度材料部件不同沉积层的拉伸应力 - 应变曲线

图 16. 功能梯度材料部件不同沉积层的断口形貌，(a) 和 (e) 为 B1 层，(b) 和 (f) 为 B2 层，(c) 和 (g) 为 B3 层，(d) 和 (h) 为 B4 层

图 17. 功能梯度材料部件不同位置的压缩应力 - 应变曲线

图 18. Ti-N 体系相图

图 19. 不同氮含量下 TiN 的形成过程

图 20. 熔池流动过程中 TiN 枝晶的破碎

论文总结

（1）通过调节氮气流量，利用激光 - 电弧混合增材制造技术制备了氮原位增强 Ti6Al4V 梯度材料，沉积层无裂纹、气孔等缺陷。

（2）由于氮的引入，α-Ti 相逐渐转变为 TiN 相。随着保护气体中氮比例的增加，TiN 的数量增加，且 TiN 相由树枝状转变为不规则颗粒状。

（3）功能梯度材料部件的显微硬度、摩擦磨损性能和力学性能呈现连续梯度变化。最终制备的功能梯度材料部件外层具有高耐磨性，内部具有良好的综合力学性能。

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