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钛合金Ti-6Al-4V激光粉末床熔融光束整形研究

热门资讯 2025年08月08日 00:50 1 admin


长三角G60激光联盟导读

瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）PX集团热机械冶金实验室的科研人员报道了钛合金Ti-6Al-4V激光粉末床熔融的先进光束整形构筑显微组织研究。相关论文以“Toward Architected Microstructures Using Advanced Laser Beam Shaping in Laser Powder Bed Fusion of Ti-6Al-4V”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。

钛合金Ti-6Al-4V激光粉末床熔融光束整形研究


当前激光粉末床熔融（LPBF）设备多采用高斯光束强度分布，因其具有发散角小、聚焦能力强等优势。然而这种分布会产生显著热梯度，导致高冷却速率并促进Ti-6Al-4V中α'-马氏体形成。该组织虽具高强度，却以牺牲延展性为代价，需通过后处理热处理将α'-马氏体分解为α+β层状组织。此类后处理不仅耗时，还会使零件显微组织发生均质化转变。本研究采用基于硅基液晶空间光调制器（LCoS-SLM）的先进光束整形模块，通过定制强度分布与优化工艺参数降低冷却速率。热成像监测与有限元模拟（FEM）证实，相较于高斯光束，定制光束可显著降低冷却速率。将该技术应用于LPBF工艺后，成功制备出具有α+β层状与α'-马氏体区域特异性混合组织的试样。研究表明，光束整形为熔池尺度的显微组织微调及三维架构微结构的LPBF制造提供了全新调控维度。

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图1 a）集成光束整形与热成像模块的自主研制LPBF设备；b）光束整形模块光路示意图（从准直器至扫描头）

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图2 LCoS-SLM模块生成的典型光束强度分布（测量功率112 W）

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图3 112 W功率下的实验光束分布及对应相位掩模：a）焦平面小高斯光束；b）离焦4%的大高斯光束；c）多光束串行定制分布（白色箭头为扫描方向）

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图4 单道实验横截面β相晶粒重建EBSD反极图：a）大高斯光束；b）定制光束；c,d）对应熔池内彩色方框区域的SEM图像

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图5 打印策略示意图及试样不同高度（距顶面30/300/1000 μm）的SEM显微组织：a）S1试样；b）S2试样

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图6 定制光束区域近表面EBSD分析：a）Y轴反极图；b）相分布图；c）ARPGE软件重建原始β晶粒；d）残余β晶粒反极图；e,f）立方-六方相间BOR极图

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图7 α/α'相沿构建方向（BD）的EBSD反极图：a）定制光束区域；b）对应原始β晶粒重建；c）S1试样小高斯光束区域；d）相应ARPGE重建β晶粒

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图8 S1试样底面与顶面的X射线衍射图谱

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图9 有限元熔凝过程模拟：a,b）定制光束侧视/俯视图；c,d）大高斯光束侧视/俯视图；e）稳态条件下材料点温度演变

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图10 热成像数据：a）定制光束；b）高斯光束；FEM与实验数据对比：c）定制光束；d）大高斯光束

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图11 熔池后部温度梯度（G）与等温线速度（R）：a）熔点处；b）马氏体起始温度（Ms）处

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图12 Ms等温面冷却速率三维分布：a）定制光束；b）大高斯光束；y轴投影冷却速率值：c）定制光束；d）大高斯光束

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图13 定制光束参数影响FEM模拟：a）100 mm/s−1下激光功率效应；b）恒定功率密度下的扫描速度效应

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图14 架构微结构的EPFL字母组：a）共聚焦显微镜图像；b）马氏体与α+β组织界面的SEM背散射图像（对应图a黄框区域

本研究探索了硅基液晶空间光调制器（LCoS-SLM）在Ti-6Al-4V合金激光熔融与粉末床熔融中的应用潜力，通过开发定制光束并与标准/大高斯光束对比，得出以下结论：

1.高斯光束主要产生马氏体组织，而定制光束在低扫描速度下单步激光熔融即可启动β→α+β扩散相变路径，抑制马氏体转变

2.获得的α+β层状组织将硬度降至360-340 HV范围（取决于片层尺寸），较全马氏体组织显著提升材料延展性

3.EBSD分析证实α与β相间存在Burgers取向关系，且定制光束处理的原始β晶粒较细小高斯光束更粗大

4.有限元模拟结合双波长热成像验证：定制光束在Ms温度的平均冷却速率（≈309 K/s）显著降低，促成α+β双相组织形成

5.高速扫描模拟表明冷却速率与扫描速度正相关，限制β→α+β相变进行

6.LCoS-SLM的动态调控能力实现了马氏体相变精准控制的架构微结构构筑

本研究表明，通过激光光束分布调控可有效实现增材制造中Ti-6Al-4V局部显微组织的精确控制。该技术可推广至其他需后热处理材料，直接获得理想的原位组织与性能。当前主要局限在于生产效率显著降低，这凸显了光束整形技术亟需进一步优化，以提升效率并满足工业化大规模制造需求。


论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202420427


长三角G60激光联盟陈长军转载

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