作者：Jinfeng Deng, Qiao Zhong, Jia Chen, Kaiwen Wei *, Xiaoze Yue, Yuguang Liu, Gaohang Li,Xiangyou Li, Xiaoyan Zeng

单位：Wuhan National Laboratory for Optoelectronics, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, Hubei, 430074, China

期刊：Journal of Materials Research and Technology

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摘 要

该研究采用4kW Flat-top激光的高功率激光粉末床熔融（HP-LPBF）技术制备Ti6Al4V合金，系统探究了激光能量密度对缺陷、相对密度及熔融模式的影响，并通过不同温度（750–1050°C）的退火处理分析了微观组织演变与力学性能的关联。结果表明，Flat-top激光有效避免了锁孔效应，在激光能量密度≥50 J/mm³时获得相对密度>99.9%的高质量样品，最高构建速率达288 cm³/h。退火后，原始交替分布的针状α'马氏体与α+β组织逐渐演化为层状或双相结构，其中850°C退火样品展现出最优的强塑性匹配，综合性能超过锻造标准。研究为HP-LPBF技术在钛合金高效高质量制造中的应用提供了理论支持。

研究方法

1.材料与设备

使用气雾化Ti6Al4V粉末（粒径53–150μm），经真空干燥后作为原料。实验设备为自主研发的TS4000H HP-LPBF系统，配备4kW Flat-top光纤激光器（光斑直径550μm），氩气保护气氛（氧含量）。

2.工艺参数

采用正交扫描策略，相邻层扫描方向垂直。固定激光功率（4kW）与层厚（0.10mm），通过调节扫描速度（>2000mm/s）和扫描间距（）实现激光能量密度（26.7–100.0J/mm³）的梯度变化。

3.退火处理

对高密度样品进行750°C、850°C、950°C、1050°C（均保温2 h，空冷）退火处理，分析组织与性能变化。

4.表征手段

缺陷分析：金相显微镜（OM）结合Image Pro Plus软件定量孔隙率。

微观结构：SEM、EBSD（步长0.5–1μm）、TEM（加速电压30kV）及XRD。

力学性能：室温拉伸试验（ISO 6892-1标准），测试抗拉强度、屈服强度及延伸率。

研究结果

1.缺陷与相对密度

能量密度影响：当能量密度从26.7J/mm³增至50.0J/mm³时，缺陷类型由毫米级未熔合过渡为微米级气孔，相对密度从83.09%提升至99.99%。Flat-top激光的均匀能量分布避免了锁孔效应，确保高能量密度下熔池稳定（深度-宽度比）。

Fig. 4.The typical OM images of the cross-sections of Ti6Al4V single tracks formed by HP-LPBF. The employed laser power (4 kW), laser beam mode (Flat-top), laser beam diameter (∼550μm), layer thickness (0.1mm), substrate condition, and atmospheric condition are the same as those used for the bulk samples. The employed laser scanning velocities are 1000mm/s (a), 2000mm/s (b), 3000mm/s (c), 4000mm/s (d), 5000mm/s (e), respectively.

构建速率：高密度样品（≥99.9%）最高构建速率为288cm³/h，是传统LPBF技术（10–50cm³/h）的5.76–28.8倍。

2.原始态微观组织

交替带结构：由亮带（针状α+β）与暗带（针状α'马氏体）交替组成，垂直于构建方向。暗带α'由熔池快速冷却形成，亮带α+β则源于4kW激光原位退火效应（部分α'分解）。

晶粒特征：柱状原始β晶粒沿构建方向生长，宽度100–200μm，粗于传统LPBF（70–120μm）。

Fig. 5.The microstructure and grain morphology of the as-built Ti6Al4V samples: (a) the typical metallographic image, (b) the overall SEM image of the as-built microstructure, (d) the SEM image of the dark bands, (e) the SEM image of the bright bands, (c) the EBSD-IPF map.

3.退火态组织演变

750°C退火：亮/暗带消失，大部分α'分解为针状α+β（残留少量α'），平均晶粒尺寸3.75μm。

850°C退火：完全分解为层状α+β，α板条宽度显著增大（平均晶粒6.34μm）。

950°C退火：层状α+β粗化，部分α球化，晶粒尺寸增至18.75μm。

1050°C退火：超过β相变温度（985°C），形成双相组织（等轴α+层状α+β），晶粒粗化至23.16μm。

Fig. 3.The relative densities of the HP-LPBF samples built using the different laser energy densities.

4.力学性能

原始态：抗拉强度（~1200MPa）和屈服强度（~1100MPa）高于锻造标准（~900MPa），但延伸率（~8%）较低。

750°C：强度略降（抗拉1150MPa，延伸率10%）。

850°C：最佳强塑性匹配（抗拉1050MPa，延伸率14%），综合性能优于锻造标准。

1050°C：晶粒粗化导致强度（抗拉900MPa）和延伸率（6%）均显著下降。

Fig. 15.The tensile properties of the HP-LPBF-formed Ti6Al4V samples in both the as-built state and the different annealing states. The tensile property standard for Ti6Al4V forgings is also given for the purpose of comparison.

主要结论

1.工艺优势：Flat-top激光通过均匀能量输入避免锁孔效应，在50.0J/mm³能量密度下实现高相对密度（>99.9%）与超高构建速率（288cm³/h）。

2.组织调控：原始态交替带结构由原位退火效应形成，退火温度升高驱动组织从针状α+β→层状α+β→双相α+β演变。

3.性能优化：850°C退火样品兼具高强度（抗拉1050MPa）与高延伸率（14%），突破传统锻造性能极限。

4.技术潜力：HP-LPBF在保持力学性能可比性的同时，构建速率达传统LPBF的3–10倍，为钛合金高效工业化应用提供新路径。