小序

增材制造手艺是一种以零部件模子为蓝本的快速成型先进制造手艺，，，，，，，在航空、航天和船舶等行业的超重大、高精度零部件制造领域展现出重大的应用潜力[1-3]。。。。。。。激光同轴送丝增材制造手艺是将打印丝材从环形中空激光内部送入沉积熔池，，，，，，，配合制造零件所需的运动轨迹举行快速成型的增材制造手艺，，，，，，，其兼具激光粉末增材精度高和电弧增材效率高的优势，，，，，，，且增材历程偏向无邪度更高，，，，，，，试件各向异性小，，，，，，，成为目今研究的热门[4-5]。。。。。。。

TC4具有优异的综协力学性能，，，，，，，工程化用量占钛合金质料的一半，，，，，，，是应用最普遍的钛合金质料之一[6-8]。。。。。。。为推动TC4钛合金激光同轴送丝增材制造手艺的工程化应用，，，，，，，海内外各研究机构举行了一定的前期手艺研究。。。。。。。Churruca[9]等人较量了TC4钛合金激光同轴送丝增材制造与送粉增材制造的试件性能，，，，，，，两者性能相近，，，，，，，但同轴送丝增材制造在效率和本钱上具有重大优势；；；；；Du[10]和Ding[11]等人探索0.4mmTC4丝材激光同轴送丝增材制造的成形精度，，，，，，，并团结红外热成像手艺剖析了热循环历程，，，，，，，展望试样的尺寸；；；；；ValentineCazaubon[12]等人研究了1.2mmTC4丝材激光同轴送丝增材时激秃顶的移动速率对增材试件的外观影响最大；；；；；Kelbassa[12]等人证实晰接纳较细的TC4丝材举行激光同轴送丝增材制造可以实现重大零件的近净成形；；；；；FrankSilze[14]等人的研究批注6个小功率激秃顶组成的同轴送丝激秃顶可以实现1.0mmTC4丝材低氧吸入和无偏向性的增材制造。。。。。。。

上述研究主要集中在TC4钛合金激光同轴送丝激光增材试件的成形工艺，，，，，，，对试件工程化应用关注的力学性能的系统性研究相对较少。。。。。。。本研究接纳1.2mmTC4钛合金丝材举行激光同轴送丝增材制造试验，，，，，，，研究了增材试件在差别偏向和高度下的微观组织与力学性能之间的关系，，，，，，，为TC4钛合金激光同轴送丝增材制造手艺的工程化应用提供一定的手艺支持。。。。。。。

1、试验质料和要领

试验接纳直径1.2mm的TC4丝材作为原质料，，，，，，，其化学因素如表1所示。。。。。。；；；；；逦40mm×150mm×150mm的TC4板材。。。。。。。激光同轴送丝增材制造的原理如图1所示，，，，，，，以6kW光纤激光器为热源，，，，，，，以机械人和变位机作为运动系统，，，，，，，推拉式送丝机将丝材送入激光加领班，，，，，，，试验在氩气室内举行，，，，，，，氩气流量为15~25L/min，，，，，，，确保增材历程中氩气室的氧含量低于50ppm，，，，，，，主要增材制造工艺参数如表2所示。。。。。。。

试验前使用钛丝轮对基板外貌的氧化膜举行整理，，，，，，，并用丙酮扫除油污和灰尘。。。。。。。

接纳如图2所示的蛇形正交路径举行试件增材试验，，，，，，，每一层接纳循环往复的方法群集，，，，，，，奇偶层的群集偏向相互笔直，，，，，，，层层正交。。。。。。。接纳数字射线（DR）手艺对增材制造试件内部的气孔、未熔合等缺陷举行磨练。。。。。。。用线切割的手段，，，，，，，对增材试件举行支解截取金相和力学性能试验试样，，，，，，，取样偏向和位置如图3所示，，，，，，，沿纵横两个偏向截取金相试样（尺寸10mm×40mm×60mm），，，，，，，经打磨、抛光、侵蚀后使用金相显微镜（OLYMPLUSGX71型）视察金相组织，，，，，，，使用FEIScio2双光束扫描电子显微镜、EBSD电子背散射衍射信息收罗系统视察显微组织和晶粒取向。。。。。。。

沿纵横两个偏向，，，，，，，按GB/T228.1—2021制取标准拉伸试样（平行段5mm），，，，，，，接纳INSTRON5985-250kN质料试验机举行拉伸试验，，，，，，，遵照GB/T229—2020制取V型攻击试样（10mm×10mm×55mm），，，，，，，接纳ZBC2602-B摆锤式攻击试验机在室温（25℃）举行攻击试验，，，，，，，对增材试件的力学性能举行系统研究。。。。。。。

2、试验效果

2.1增材试件成形及截面形貌

TC4钛合金激光同轴送丝增材试件的外貌形貌如图4所示，，，，，，，试件外貌平滑匀称，，，，，，，呈银白色，，，，，，，无飞溅，，，，，，，有显着的鱼鳞纹。。。。。。。这批注激光的功率、离焦量和送丝速率等增材的工艺参数匹配优异，，，，，，，增材历程对钛合金的；；；；；ばЧ乓。。。。。。。

增材制造试件数字射线（DR）检测效果如图5所示，，，，，，，试样内部沉积焊道纹理匀称，，，，，，，无气孔、裂纹和未熔合等缺陷，，，，，，，检测效果知足NB/47014.2—2015承压装备无损检测的射线的Ⅰ级及格要求。。。。。。。

增材试件在横向（X）和纵向（Y）两个偏向的焊道熔合形貌如图6所示。。。。。。？？？？？？？梢钥闯，，，，，，，由于接纳蛇形正交路径举行增材，，，，，，，奇偶层之间的群集偏向相互笔直，，，，，，，每一层奇偶道之间的群集偏向相反，，，，，，，在X和Y两个偏向的焊道熔合形貌相似，，，，，，，这有利于降低增材试件的各向异性。。。。。。。试件截面的焊道在高度偏向横纵交替，，，，，，，由于纵向焊道的保存，，，，，，，阻碍了层与层之间沉积焊道锯齿状薄弱界线的形成，，，，，，，一定水平上提升了试件的力学性能。。。。。。。

2.2增材试件微观组织

增材试件在两个偏向的上、中、下三个位置的显微组织如图7所示。。。。。。？？？？？？？梢钥闯，，，，，，，增材组织与TC4钛合金焊缝组织形态相近，，，，，，，以α相为主，，，，，，，β相较少，，，，，，，晶界由一连的α相组成β晶界，，，，，，，内部为大宗正交排列的α片层结构和针状马氏体组织。。。。。。。这种组织形态的形成主要归因于增材制造历程中较大的加热和冷却速率，，，，，，，导致过冷度较大，，，，，，，过饱和的β相未能充分扩散成平衡态[15]，，，，，，，最终以α'马氏体相的形式保存。。。。。。。在增材试件底部，，，，，，，由于多次热循环的作用，，，，，，，β相变形相对较为充分，，，，，，，形成了显着的网篮组织。。。。。。。而中上部组织则体现出更为显著的双态组织和魏氏组织特征，，，，，，，具有较高的强度，，，，，，，但可能会对疲劳性能和塑韧性爆发一定的负面影响。。。。。。。

图8为使用电子背散射衍射手艺（EBSD）检测出的增材试件在横向（X）和纵向（Y）两个偏向上、中、下差别位置的晶粒取向图，，，，，，，图9是对各个晶粒取向差的统计效果。。。。。。。效果批注，，，，，，，由于焊接热循环次数和散热条件的差别，，，，，，，各部位的晶粒取向差有一定的差别。。。。。。。下部沉积组织由于受到后续沉积历程的多次热输入，，，，，，，晶粒取向差较大，，，，，，，X向平均晶粒取向差为45.9°，，，，，，，Y向平均晶粒取向差为43.1°。。。。。。。中部组织受到下部沉积组织散热和上部沉积组织二次加热的影响，，，，，，，晶粒取向差也较大但略小于底部，，，，，，，X向平均晶粒取向差为41.8°，，，，，，，Y向平均晶粒取向差为40.9°；；；；；上部组织的晶粒取向差仅受散热条件影响，，，，，，，晶粒取向差相对较小，，，，，，，X向平均晶粒取向差为37.8°，，，，，，，Y向平均晶粒取向差为35.9°。。。。。。。由于增材试件的晶粒取向主要与热循环历程和散热条件有关，，，，，，，而接纳蛇形正交路径的增材试件在沉积路径层层正交，，，，，，，热循环历程和散热条件无显着偏向性，，，，，，，因此统一高度位置的平均晶粒取向差数值相近。。。。。。。

接纳SEM手段检测到的增材试件在差别偏向和位置的晶粒度统计效果如图10所示。。。。。。？？？？？？？梢钥闯，，，，，，，在高度偏向上，，，，，，，自下而上较大尺寸晶粒数目逐步增添，，，，，，，这主要是由于后一步的打印历程相当于对前一步打印组织的热处置惩罚，，，，，，，而上部组织仅履历了打印历程的热循环历程，，，，，，，导致打印组织泛起下部细小、上部粗大的特征。。。。。。。横向和纵向取向的晶粒度漫衍类似，，，，，，，各偏向对应高度的晶粒度也相近，，，，，，，批注接纳蛇形正交路径打印试件的各向异性较小。。。。。。。

别的，，，，，，，TC4钛合金打印试件的晶粒尺寸显着较小，，，，，，，列位置晶粒尺寸集中在50μm以下，，，，，，，仅少数位置晶粒尺寸凌驾50μm，，，，，，，极个体位置凌驾100μm。。。。。。。这种细小的晶粒结构归因于TC4钛合金中化学元素种类多、含量高，，，，，，，在沉积组织凝固历程中形核质点较多，，，，，，，导致形成的晶粒数目较多且尺寸较小。。。。。。。

2.3增材试件力学性能

TC4钛合金蛇形正交路径打印试件在横向（X）和纵向（Y）两个偏向的拉伸性能测试效果如图11所示。。。。。。。效果批注，，，，，，，接纳蛇形正交路径打印试件的拉伸性能的各项指标均知足CCS《质料焊接与规范2023》对TC4板材的要求。。。。。。。其中，，，，，，，横向和纵向的抗拉强度差别为-2.57%，，，，，，，断后伸长率相差4.44%，，，，，，，批注拉伸性能的各向异性较小。。。。。。。这种低各向异性主要源于蛇形正交路径的沉积方法：层间沉积偏向相互笔直，，，，，，，使得差别偏向的晶粒组织相似，，，，，，，晶粒取向也基本一致，，，，，，，从而降低了力学性能的偏向依赖性。。。。。。。

TC4钛合金增材试件拉伸试样断口的宏观及微观形貌如图12所示。。。。。。？？？？？？？梢钥闯，，，，，，，宏观断口呈杯锥状，，，，，，，边沿平展且具有剪切特征，，，，，，，中心区域升沉显着，，，，，，，体现出典范的塑性变形特征（见图12a）。。。。。。。微观剖析显示，，，，，，，断口中心区域为沿晶断裂（见图12b），，，，，，，晶粒尺寸较粗，，，，，，，为典范的韧窝形貌（见图12c）。。。。。。。

图13为TC4钛合金蛇形正交路径两个偏向打印试件的攻击性能，，，，，，，可以看出，，，，，，，两个偏向上的室温（25℃）攻击功划分为52.6J（X向）和55.3J（Y向），，，，，，，均知足CCS《质料焊接与规范2023》的要求。。。。。。。与TA2纯钛相比[5]，，，，，，，TC4钛合金增材试件的攻击韧性较低，，，，，，，这归因于TC4钛合金是双相钛合金，，，，，，，在增材凝固的历程中，，，，，，，针状α相界线析出的晶界β相成为了攻击历程中的薄弱相，，，，，，，使得攻击历程爆发沿晶断裂，，，，，，，试验历程中需要吸收的能量较小[16-17]。。。。。。。

图14为TC4钛合金增材试件显微硬度的测试效果，，，，，，，可以看出，，，，，，，两个偏向上的硬度值均随距底板高度的增添而逐渐降低。。。。。。。下层组织受到上层沉积历程多次热循环的影响，，，，，，，晶粒细化致密，，，，，，，硬度较高；；；；；随着高度增添，，，，，，，热循环次数镌汰，，，，，，，晶粒尺寸逐渐变大，，，，，，，硬度逐渐变低。。。。。。。中心区域因散热条件较差，，，，，，，热积累显著，，，，，，，顶层和底层的硬度差值高于两侧区域。。。。。。。只管云云，，，，，，，各高度间的硬度差别均控制在30HV0.2以内，，，，，，，知足TC4钛合金的工程应用要求。。。。。。。

3、结论

本研究通过激光同轴送丝增材制造手艺，，，，，，，乐成实现了φ1.2mmTC4钛合金焊丝的高质量成形。。。。。。。

主要结论如下：

（1）成形与组织特征。。。。。。。蛇形正交路径团结优化的工艺参数（激光功率2.5~3.0kW，，，，，，，送丝速率1800~2200mm/s）可有用抑制飞溅和缺陷，，，，，，，试件外貌平滑匀称，，，，，，，内部无气孔和未熔合（DR检测I级及格）。。。。。。。微观组织泛起高度偏向依赖性：底部因多次热循环形成细小网篮组织，，，，，，，中上部以双态和魏氏组织为主，，，，，，，晶粒取向差自下而上逐渐减。。。。。。。╔/Y向差值从45.9°/43.1°降至37.8°/35.9°）。。。。。。。

（2）力学性能优势。。。。。。。横向与纵向的抗拉强度（差别2.57%）、断后伸长率（差别4.44%）及攻击韧性 （52.6J和55.3J）均知足CCS规范要求，，，，，，，各向异性显著低于电弧增材工艺。。。。。。。硬度漫衍批注，，，，，，，下层组织因热循环作用硬度最高，，，，，，，中心区域因散热差别硬度梯度达30HV0.2。。。。。。。增材试样下层沉积组织由于受到上层增材历程中热循环的作用，，，，，，，相当于受到了多次回火热处置惩罚，，，，，，，含有大宗细小马氏体结构，，，，，，，晶粒尺寸更细小，，，，，，，硬度相对较高。。。。。。。

（3）工程化潜力。。。。。。。蛇形正交路径通过层间正交沉积有用平衡热输入，，，，，，，抑制晶粒择优生长，，，，，，，为航空航天重大构件的高性能增材制造提供了新思绪。。。。。。。未来可进一步探索多工艺参数协同优化及疲劳性能提升战略。。。。。。。

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