摘要
交通运输行业的发展往往依赖材料行业的进步，其中钛合金是理想的中低温服役材料，具有高强度、低密度及耐腐性等优势。在众多钛合金里，Ti-6Al-4V(Ti64)合金占据50%以上的使用量，在交通运输行业中得到了非常广泛的应用。近年来，增材制造技术快速发展，尤其是激光粉末床熔化技术(Laser powder bed fusion，LPBF)，由于其具有高熔化温度、高精度及高致密度的特点，在金属增材制造中占据举足轻重地位，并有望成为制造业中主要成形方式之一。因此，Ti64合金在LPBF技术中的开发成为了钛合金首当其冲的研究课题之一。LPBF-Ti64合金具有传统成形方式中不同的微观组织特点，原始态LPBF-Ti64合金组织从外至内分为柱状母相晶粒-马氏体板条-孪晶三层结构，我们可将其称为“层级结构”。这种组织结构通常具有较高的强度优势，但是也面临低均匀延伸率和各向异性等诸多问题。如何充分发挥其组织优势同时避免组织缺陷是LPBF技术中工艺控制、组织优化及性能提升的核心问题。本文针对LPBF-Ti64合金层级组织特点进行了工艺、组织和强塑性机制的相关研究。 首先，文中采用了机器学习的方法优化LPBF工艺参数，旨在解决原始态LPBF-Ti64合金中低塑性问题。机器学习模型对工艺参数调控给出以下提示，在所选取的工艺特征中，扫描间距对塑性的影响重要性仅次于热处理，同时当线能量密度为0.1J/mm时，通过调控扫描间距的大小可以获得塑性优值。实验结果验证了该规律，并在扫描间距为90μm时，获得了强度-塑性协同性优异性能(屈服强度，Yield stress，Ys0.2=1044±10MPa，均匀伸长率，Uniform elongation，UEL=10.5±1.5%)。在此基础上，进一步阐述了原始态LPBF-Ti64合金组织中马氏体集束组织(Martensite colony microstructure，MCM)能够造成局部应力集中，从而导致低塑性的机制，并论证了调控扫描间距能够获得独特的少马氏体集束组织(Less martensite colony microstructure，LMCM)，这种组织能够起到应力非局域化的作用，从而提升了塑性并几乎不损失强度。这不仅证明了LPBF-Ti64合金中α’-马氏体组织非本征脆性，同时也阐述了其在不同工艺过程中存在较大的塑性波动的原因。此外，通过保持α’相使得合金具有较高的屈服强度(＞1GPa)，最终获得了强-塑协同性优化。 其次，根据LPBF-Ti64合金的层级组织特点，对其进行了多重优化策略下的组织与性能研究。Ti64合金具有非常窄的凝固前沿，使得在LPBF这种快冷的成形过程中形成粗大的柱状母相晶粒，这会导致打印件具有力学性能各向异性的问题。母相晶粒经内部为针状马氏体组织，其对力学性能也起到至关重要的作用。针对这种层级结构，结合之前减少MCM能够提升塑性的经验基础，提出了“细化-撕裂”(Refining amp;Splitting，Ramp;S)组织控制策略。具体过程包括通过高能量密度调控实现马氏体板条细化，即R过程，该过程能够将屈服强度提升将近30%，从而达到约1.3GPa。同时，调控激光扫描策略能够实现撕裂粗大母相晶粒和MCM结构，即S过程。该过程能够将断裂延伸率提升接近86%，并且母相晶粒的细化能够改善力学性能各向异性。Ramp;S策略不需要引入额外的设备条件以及合金元素，因此具有明显的过程优势。 最后，对LPBF-Ti64合金中变体界面和与变形机制关系进行了探究。之前的组织研究主要集中在母相晶粒和马氏体形貌与力学行为之间的关系，最后对更深层的变体界面展开了研究。重点阐述了LPBF-Ti64合金变体间含量最多的63.26°/[(-10)553]界面为非对称倾转晶界的本质，并证明存在((-3)(-1)41)//(4(-1)(-3)1)关系，这对界面变形行为奠定了基础。此外，采用准原位电子背散射衍射(Electron back scattering diffraction，EBSD)技术对不同应变下该界面行为进行了研究，表明该界面会随着应变过程逐渐湮灭，该界面基本消失时与力学失稳发生所处的应变存在一致性。另外，LPBF-Ti64合金对于400℃的热处理，相和微观组织并未发生明显变化，然而成形件会出现明显的脆性效应。经过观察63.26°/[(-10)553]界面含量会在该温度下降低，这些结果表明该界面对力学行为存在较大的影响。 综上，本文针对LPBF成形Ti64合金技术，分别对其工艺过程、组织优化及性能机制进行了探究，并重点解决了原始态LPBF-Ti64合金强-塑协同性、变体界面与力学行为间关系等关键科学问题。本研究为实现制备高性能LPBF-Ti64合金提供了理论指导以及新思路，促进了LPBF技术在航空航天领域的应用。
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