引言

我國海岸線長(zhǎng)達(dá)18000公里，海域面積300萬平方公里，資源豐富。深海裝備對(duì)于海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略和海軍戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型至關(guān)重要，包括軍事裝備、載人/無人潛水器等。隨著海洋戰(zhàn)略的擴(kuò)展，深海裝備面臨高水壓和腐蝕挑戰(zhàn)，對(duì)材料要求更高。鈦合金以其輕質(zhì)、高強(qiáng)度、耐蝕等特性，成為深海裝備的理想材料，有助于提升裝備性能，被廣泛應(yīng)用于世界深潛器制造中[1-3]。鈦合金在深海裝備制造中雖有優(yōu)勢(shì)，但也面臨加工難題。主要問題有：屈強(qiáng)比大導(dǎo)致加工難度增加；熱導(dǎo)率低易造成刀具磨損和材料應(yīng)力集中；對(duì)H、O、N極其敏感（300℃以上快速吸氫、450℃以上快速吸氧、600℃以上快速吸氮）；超規(guī)格原材料需求與傳統(tǒng)制備技術(shù)瓶頸；導(dǎo)致制備效率低、穩(wěn)定性差、成本高[4-6]。

但這些挑戰(zhàn)也促進(jìn)了增材制造技術(shù)的變革性應(yīng)用。SLM以其高設(shè)計(jì)自由度、高材料利用率、降低加工難度、小熱影響區(qū)和快速定制化生產(chǎn)等優(yōu)勢(shì)，為鈦合金零件的制造提供了創(chuàng)新解決方案，尤其在制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)和輕量化設(shè)計(jì)的深海裝備部件方面展現(xiàn)出巨大潛力[7-8]。盡管當(dāng)前對(duì)SLM技術(shù)制備TC4鈦合金的研究已經(jīng)取得了較為成熟的進(jìn)展，但是，研究指出[1]，SLM過程中的工藝參數(shù)對(duì)制件的致密度和力學(xué)性能具有顯著影響。這些參數(shù)同樣影響著內(nèi)部孔隙和裂紋等缺陷的形成與擴(kuò)展。通過精細(xì)的工藝參數(shù)優(yōu)化，成功實(shí)現(xiàn)了高密度和高強(qiáng)度Ti-6Al-4V合金的SLM制造，具體表現(xiàn)為達(dá)到了99.45%的相對(duì)密度、1188MPa的抗拉強(qiáng)度以及9.5%的斷裂伸長(zhǎng)率。此外，拉伸測(cè)試結(jié)果表明，SLM制備的Ti-6Al-4V合金在強(qiáng)度上超過了鍛造Ti-6Al-4V合金，但在沖擊韌性方面則相對(duì)較低。在SLM技術(shù)制備Ti-5Al-2.5Sn鈦合金時(shí)，激光能量輸入對(duì)材料的孔隙率有顯著影響。較高能量輸入易形成球形孔隙，而較低能量輸入則導(dǎo)致未熔合缺陷[9]。Yao等人[5]對(duì)SLM技術(shù)成型TC4鈦合金的工藝參數(shù)與拉伸性能關(guān)系進(jìn)行深入研究，然而與基板材料（軋制態(tài)）的比較尚不明確。鑒于沖擊韌性是材料在快速?zèng)_擊或沖擊載荷下吸收能量、防止斷裂的關(guān)鍵性能指標(biāo)，其對(duì)深海裝備的安全性和可靠性至關(guān)重要。同時(shí)，納米壓痕測(cè)試對(duì)于深入理解材料在微觀尺度上，尤其是在深海高壓環(huán)境下的性能表現(xiàn)具有重要意義。本研究選取采用選SLM技術(shù)制備的Ti-6Al4V（TC4）作為研究對(duì)象，旨在通過與軋制態(tài)TC4合金的對(duì)比分析，全面探究SLM制備的TC4合金的微觀組織結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能。研究的核心目標(biāo)是驗(yàn)證SLM技術(shù)制備的TC4合金在深海裝備應(yīng)用中的可靠性，以期為其在海洋工程領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。

1、試驗(yàn)方法

在本研究中，使用Ti64氣霧化粉末（化學(xué)成分為Ti-5.89Al-4.2Vwt.%）作為原料，成功制備了Ti6Al-4V合金試樣。該合金粉末主要以球形顆粒形式存在，表面光滑，平均粒徑約為38微米，如圖1所示。SLM成型過程中采用的工藝參數(shù)詳見表1。

試樣制備完成后，首先通過砂紙進(jìn)行逐級(jí)打磨拋光，隨后進(jìn)行特定的化學(xué)蝕刻處理（蝕刻液配比為HF∶HNO₃∶H₂O=2∶6∶92），以揭示合金的微觀組織結(jié)構(gòu)。之后，利用光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡（SEM）和背散射衍射儀（EBSD）對(duì)合金的微觀組織進(jìn)行了詳細(xì)的分析和表征。為了全面評(píng)估SLM制備的Ti-6Al-4V合金的力學(xué)性能，進(jìn)行了納米壓痕測(cè)試以測(cè)定硬度，以及電子萬能試驗(yàn)機(jī)上的拉伸測(cè)試（拉伸速率設(shè)定為0.5mm/min），從而獲得了合金的硬度和拉伸性能數(shù)據(jù)。此外，還通過沖擊試驗(yàn)機(jī)對(duì)成型試樣的沖擊韌性進(jìn)行了測(cè)量，以評(píng)價(jià)其在深海中受到?jīng)_擊負(fù)荷時(shí)的韌性表現(xiàn)。

2、試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1微觀組織及物相分析

2.1.1微觀組織研究

SLM試樣內(nèi)部組織相互交叉排列，網(wǎng)籃狀組織排列明顯，網(wǎng)籃狀組織由針狀α'馬氏體組成。圖2b為SLMedTC4微觀組織的SEM形貌。微觀組織特征是馬氏體以交織的方式排列，形成網(wǎng)籃狀結(jié)構(gòu)，并且這些馬氏體組織與晶界呈45°生長(zhǎng)。與圖2a的OM結(jié)果相符，這兩個(gè)不同的成型面上，針狀α'馬氏體是主要組織形態(tài)，尺寸基本一致，寬度在0到1μm之間，長(zhǎng)度則在幾十到幾百微米不等。軋制態(tài)TC4的組織如圖2b，軋制過程使得晶粒拉長(zhǎng)。主要由等軸α晶粒（圖中黑色區(qū)域）、β轉(zhuǎn)變組織（圖中白色區(qū)域），其中β轉(zhuǎn)變組織通常包含片狀α+β組織、原始β晶粒邊界上的初始α組織，以及初生α組織與片狀α+β組織之間的β組織。

2.1.2物相分析

XRD衍射圖譜如圖3所示，與標(biāo)準(zhǔn)PDF卡片對(duì)比，SLMedTC4中幾乎無β組織生成，而軋制態(tài)相的衍射峰明顯。在SLM過程中，激光束的高能量輸入和快速掃描速度導(dǎo)致材料的冷卻速率非常快，通常可達(dá)103~108℃/s。這種快速冷卻條件有利于α'馬氏體的形成，因?yàn)棣?#39;馬氏體的形核和生長(zhǎng)速率通常遠(yuǎn)高于形成平衡β相的臨界冷卻速度410℃/s[10]。同時(shí)由于冷卻速率快，β相的形成和穩(wěn)定化時(shí)間不足。對(duì)于軋制板TC4鈦合金進(jìn)行XRD分析中，觀察到α-Ti相的衍射峰為主導(dǎo)。在衍射角約57°處，存在可辨識(shí)β-Ti的衍射峰為β（202）。這可能是因?yàn)樵谲堉七^程中的高應(yīng)變率和較低的熱處理溫度導(dǎo)致α相的穩(wěn)定化，并促使部分β相在冷卻時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)棣料唷?/p>

2.1.3EBSD分析SLMedTC4晶粒尺寸主要集中在1~3μm之間，平均尺寸為2.5μm（見圖4a）。而傳統(tǒng)軋制的TC4鈦合金晶粒則呈現(xiàn)出順著軋制方向的拉伸狀結(jié)構(gòu)，其平均晶粒尺寸約為3.7μm。這種差異歸因于增材制造過程中較高的冷卻速率，高冷卻速率有助于形成更細(xì)小的晶粒。這些細(xì)小晶粒在隨后的冷卻過程中沒有充分時(shí)間長(zhǎng)大只能保持較小尺寸[11]。相較之下，軋制板TC4鈦合金由于冷卻速率較低，尤其是在軋制后未進(jìn)行快速冷卻處理時(shí)，材料有更充分的時(shí)間進(jìn)行晶粒增長(zhǎng)，導(dǎo)致較大的等軸晶粒形成。SLMedTC4中α'馬氏體組織仍占主導(dǎo)地位為0.997，β組織含量?jī)H為0.003，SLM快速冷卻過程中的“冷凍效應(yīng)”，導(dǎo)致部分高溫穩(wěn)定的β在室溫下得以保留（見圖4b）。對(duì)于軋制板的TC4鈦合金，β組織含量顯著增加至0.055，由于塑性變形和位錯(cuò)積累，部分β組織得以保留。這樣可能為材料提供了更好的塑性和韌性，但也導(dǎo)致力學(xué)性能中的強(qiáng)度和硬度相對(duì)較低。SLMedTC4晶界附近區(qū)域的顏色較深，表明斯密特因子分布與晶粒內(nèi)部有所不同，這可能是晶界在變形協(xié)調(diào)中所起的影響所致（見圖4c）。斯密特因子的平均值分別是0.32003和0.37269，代表了各自材料的屈服強(qiáng)度，其中更高的斯密特因子意味著滑移系統(tǒng)啟動(dòng)的可能性更大，而更低的斯密特因子值表示更高的屈服強(qiáng)度[11]。可預(yù)測(cè)SLMedTC4由于具有相對(duì)較高強(qiáng)度，而軋制板的TC4，盡管在屈服強(qiáng)度上相對(duì)較低，卻可能提供更優(yōu)的塑性和韌性[12]。

2.2力學(xué)性能研究

2.2.1納米壓痕

從圖5a中的納米壓痕P-h（載荷-位移）曲線可以看出，不同成形方式的TC4合金在加載和卸載過程中顯示出一致的趨勢(shì)，且多次測(cè)量結(jié)果一致，SLMed和軋制態(tài)TC4平均壓痕深度為1239.1nm和706nm，壓痕形貌如圖5c所示，軋制態(tài)被壓痕破壞更加明顯。與軋制板TC4相比，SLMedTC4合金在相同載荷下表現(xiàn)出更好的抵抗變形的能力，即硬度更高，且變形量和變形速率更小。SLMed試樣的高峰值硬度為229.9GPa，相比軋制板TC4的20.3GPa有大幅提升。在卸載階段，SLM試樣的納米硬度穩(wěn)定在5.36GPa，而軋制板TC4的穩(wěn)定硬度僅為1.54GPa。SLM試樣硬度的提高可歸因于成型過程中的反復(fù)加熱，促進(jìn)了位錯(cuò)的活動(dòng)并增強(qiáng)了晶界強(qiáng)化效果，導(dǎo)致位錯(cuò)密度升高并在材料內(nèi)部形成了“釘扎”效應(yīng)，進(jìn)而提高了抵抗塑性變形的能力[13-14]。在深海裝備的應(yīng)用中，這種提高的變形抗力意味著激光增材制造的TC4合金能夠更好地承受高壓和動(dòng)態(tài)負(fù)載，確保裝備的結(jié)構(gòu)完整性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性[15]。

2.2.2拉伸性能拉伸性能

在衡量材料力學(xué)性能上起著基礎(chǔ)且關(guān)鍵的作用，各試樣拉伸性能如圖7所示，兩種TC4試樣的拉伸性能均滿足GB/T3621-2022的最低要求。SLM制造的鈦合金在高壓深海環(huán)境中所展現(xiàn)的高抗拉強(qiáng)度（1123.9MPa）是維持結(jié)構(gòu)完整性的重要因素。這種強(qiáng)度使得材料能承受重大負(fù)載而不發(fā)生斷裂，對(duì)于靜態(tài)負(fù)載尤其關(guān)鍵。但是，SLMed試樣的低延伸率（11.78%）表明其在沖擊負(fù)荷或過度變形下的塑性差，這可能導(dǎo)致在沒有足夠變形能力吸收能量的情況下容易發(fā)生脆性斷裂。

這種力學(xué)性能上的差異源于不同的微觀結(jié)構(gòu)。SLMed試樣中含有的大量BCC結(jié)構(gòu)針狀馬氏體α'馬氏體，具有較少的滑移系，限制了材料在塑性變形時(shí)可供位錯(cuò)移動(dòng)的路徑數(shù)量，從而降低了塑性。

此外，α'馬氏體中的高釩含量通過固溶強(qiáng)化效應(yīng)進(jìn)一步阻礙了位錯(cuò)的移動(dòng)，提高了強(qiáng)度，但犧牲了塑性。相比之下，軋制板TC4軋制板中α+β雙相結(jié)構(gòu)，尤其是β相的FCC結(jié)構(gòu)提供了更多滑移系統(tǒng)，使得材料在拉伸過程中可以發(fā)生更多塑性變形，因此在延伸率上表現(xiàn)更優(yōu)（14.58%），盡管犧牲了一些抗拉強(qiáng)度（946.4MPa）。拉伸斷口的微觀形貌分析如圖8所示，結(jié)合以上的拉伸性能結(jié)果，不同成形方式制備的TC4合金展現(xiàn)出了不同的斷裂特性，這些特性反映了各自的微觀組織和成形過程的特點(diǎn)。韌窩的深度和大小反映了材料的塑性和加工硬化能力：韌窩越深大，說明材料在斷裂前能夠經(jīng)受更多的塑性變形，表現(xiàn)出更好的塑性。相對(duì)于軋制態(tài)TC4，SLMedTC4合金試樣的斷口則顯示了粗糙的表面、含有未熔化粉末顆粒，以及較大范圍的解理面和撕裂棱，韌窩小而淺[9，11]。這些特征指示了材料在受到拉伸力時(shí)發(fā)生了脆性斷裂，這種斷裂模式與SLM制造過程中快速的冷卻速率和由此產(chǎn)生的非均勻微觀組織有關(guān)。

2.2.3沖擊性能

沖擊韌性是評(píng)價(jià)材料在突然受到撞擊負(fù)載時(shí)，抵抗破壞能力的重要性能指標(biāo)。對(duì)于深海裝備用增材制造的TC4鈦合金來說，沖擊韌性的高低直接關(guān)系到其在水下復(fù)雜壓力環(huán)境和意外撞擊下的結(jié)構(gòu)完整性與安全性。高沖擊韌性的材料能夠在不斷裂的情況下吸收更多的能量，這對(duì)于保證深海裝備在極端環(huán)境中的穩(wěn)定運(yùn)作至關(guān)重要。圖9為試樣在室溫下(25℃)的沖擊性能，SLMedTC4的沖擊韌性分別為43J，相比傳統(tǒng)軋制工藝得到的59.4J顯著降低。SLM工藝的高冷卻速率可能導(dǎo)致過細(xì)的晶粒和應(yīng)力集中，從而減少了材料的塑性變形能力和沖擊抵抗性，微觀組織的差異同樣使得沖擊韌性產(chǎn)生差異[16-17]。

通常情況下，相對(duì)軋制板TC4，增材制造由于快速冷卻過程限制了β相的形成，而β相為材料的塑性變形提供了路徑，使位錯(cuò)滑移更易于通過β/α界面。此外，由于β相尺寸較小，滑移長(zhǎng)度受限，降低了材料整體的變形均勻性。而在雙態(tài)組織中，較多的β相有助于增加沖擊載荷下的變形能力，使得材料能夠吸收更多沖擊能量，表現(xiàn)出更好的沖擊韌性[16]。沖擊試樣的斷口形貌如圖10所示。SLMed試樣的宏觀斷口相較于軋制板TC4更為平坦，剪切唇區(qū)域相對(duì)較小，顯示了它們?cè)跊_擊載荷下的變形能力低于軋制板TC4。微觀形貌分析表明，增材試樣的斷口表面粗糙度低，韌窩的尺寸和深度均小于軋制板TC4，證明增材試樣在沖擊過程中經(jīng)歷的塑性變形較少。此外，增材試樣表現(xiàn)出較不明顯的空洞特征，解理特征和二次裂紋較為顯著，特別是SLMed試樣中的未熔化粉末顆粒，進(jìn)一步降低了材料的沖擊韌性。

3、結(jié)論

激光選區(qū)熔化（SLM）技術(shù)制備的TC4鈦合金與軋制態(tài)TC4相比，具有以下特點(diǎn)：

（1）通過各技術(shù)對(duì)SLMed和軋制板TC4的組織進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，SLM技術(shù)制備的TC4試樣具有獨(dú)特的網(wǎng)籃狀微觀組織，由針狀α'馬氏體組成，與軋制態(tài)TC4相比，后者呈現(xiàn)等軸α組織和拉長(zhǎng)的β轉(zhuǎn)變組織，兩者在組織形態(tài)、含量和尺寸上存在顯著差異。

（2）納米壓痕測(cè)試結(jié)果表明，SLMedTC4合金納米硬度高達(dá)5.36GPa，是傳統(tǒng)軋制態(tài)TC4合金的3.5倍。在相同的載荷條件下，SLM試樣的壓入深度僅為706nm，相當(dāng)于軋制板TC4的56%，這表明SLMedTC4合金具有顯著提升的納米硬度和抗變形能力。

（3）拉伸性能：SLMedTC4拉伸性能上表現(xiàn)出顯著的抗拉強(qiáng)度提升，達(dá)到1123MPa，較傳統(tǒng)軋制態(tài)的946MPa有顯著增加。盡管其延伸率略低于軋制態(tài)，為9.78%，但依然符合國家標(biāo)準(zhǔn)。SLMTC4合金的拉伸斷口分析顯示，未熔化的粉末顆粒會(huì)影響其延伸率。

（4）沖擊韌性：SLMedTC4的沖擊韌性為43J，這一數(shù)值低于軋制態(tài)的59.4J。在沖擊斷口的微觀結(jié)構(gòu)中，SLMedTC4的韌窩較淺，剪切唇也相對(duì)較小。這些發(fā)現(xiàn)表明，SLMTC4的沖擊韌性在后續(xù)研究中具有顯著的提升潛力。總結(jié)來說，SLM技術(shù)制備的TC4鈦合金在硬度和強(qiáng)度上優(yōu)于傳統(tǒng)軋制態(tài)，盡管沖擊韌性略低，但仍具備良好的應(yīng)用前景，對(duì)于深海裝備等高性能應(yīng)用具有積極影響。

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