發布日期：2025-12-30 9:26:05
鈦及其合金具有優異的耐蝕性､生物相容性及抗氧化性，在化學化工領域､醫療領域及航空航天等領域應用廣泛 [1-3]｡然而由于鈦導熱性較差，采用傳統的加工方法 (如鑄造､鍛造等) 難以成形｡近年來，以激光3D打印技術為代表的增材制造技術發展迅猛，由于其高度定制性､靈活性和高效率，為不銹鋼､鈦合金及鋁合金等復雜零件的制造提供可能 [4]｡
由于激光3D打印的快速熔化和冷卻，所得鈦合金制件通常會形成不同于鑄造或鍛造鈦合金的細小晶粒結構､內應力以及不同的固溶體狀態｡Carroll 等通過激光3D打印制備了TC4合金，初生 β 相沿豎直方向生長為細長的柱狀晶，所得制件力學性能呈各向異性，橫向延伸率明顯優于縱向 [5]｡Thijs 等研究表明，高能量密度激光促進鋁元素在TC4合金熔池邊緣聚集｡激光3D打印制備的近 β 相鈦合金 Ti-5Al-5Mo-5V 擁有三種晶粒形態，分別為沉積層重疊區的大柱狀，頂部的小柱狀及底部的等軸狀｡這些組織特點會影響制件的力學性能和可靠性，因此需要適當的熱處理來優化這些性能 [6]｡Sercombe 等指出，激光3D打印 Ti-6Al-7Nb 合金組織取決于熱處理冷卻方式，空冷后組織比爐冷更細小 [7]; 周慶軍等的研究表明，激光3D打印 TC11 依次經 950℃和 550℃退火后，連續的晶界α相幾乎完全破碎，室溫力學性能各向異性完全消除，塑性大幅提升 [8]｡馬瑞鑫等對激光3D打印TC4在 α-Ti 單相區正火處理，α 相再結晶生長，長度和寬度均增大，合金的抗拉強度高達 960MPa｡
TA1 屬工業純鈦的一種，因其優異的耐蝕性､抗氧化性和高溫性能，被廣泛應用于航空航天､醫療器械及化學化工領域，然而關于激光3D打印 TA1 的組織性能及熱處理調控鮮有報道｡本研究采用激光3D打印成形 TA1 合金，研究了平行及垂直于激光掃描方向的組織結構及性能，并進一步探究了熱處理對組織與性能的影響，為制備高品質 TA1 提供參考｡
1、實驗材料與方法
1.1 實驗材料及制備
本研究采用 TA1 粉末，其粒徑約為 35-50μm｡借助 TGAM-I 金屬3D打印機進行試樣的打印｡打印的構件尺寸為 20mm×10mm×10mm｡工藝參數為：層厚 35μm, 激光功率 135W, 掃描速率 1000mm/s｡打印過程在氬氣保護下進行，保證腔室氧含量低于 0.7%｡隨后通過線切割將制件從基板取下進行熱處理｡熱處理工藝為固溶 + 時效，即 980℃加熱 2h 后水冷，接著 550℃加熱 2h 空冷｡采用線切割分別沿著平行與垂直于熔覆方向取樣進行后續測試，兩個方向試樣分別命名為 Ti-P 和 Ti-C｡
采用 GX35 型顯微鏡觀察3D打印 TA1 熱處理前后的金相組織｡取 10mm×10mm×3mm 的試樣，砂紙打磨后機械拋光，獲得無劃痕鏡面｡在 5% HF 腐蝕液中浸蝕 10s 后在顯微鏡下觀察｡借助 X 射線衍射儀分析樣品物相組成，掃描速度為 5°/min, 掃描范圍為 10-90°｡
使用電子萬能試驗機測試試樣拉伸性能｡拉伸試樣為 2mm 厚薄板，標距為 10mm, 寬度 5mm｡隨后借助掃描電子顯微鏡觀察斷口組織｡
2、結果與分析
2.1 組織結構
從圖 1 可以看出，四組試樣的 XRD 圖譜中均為密排六方的 α-Ti, 說明熱處理后物相并未發生變化，這與肖攀等的研究結果相同，熱處理對 TA1 相組成影響很小 [10]｡熱處理后 (100)(002) 和 (101) 晶面的衍射峰增強，說明以大角度晶界為主要的再結晶晶粒增多｡
不同樣品的微觀金相圖片如圖 2 所示｡Ti-P 與 Ti-C 組織中均存在尺寸約為 10μm 的孔洞，其中 Ti-C 組織中孔洞更多｡這是由于打印過程中平行方向相鄰道次金屬粉末的加熱和冷卻具有同步性，而垂直方向不同掃描層依次加熱與冷卻，更容易產生缺陷｡兩組樣品微觀組織均呈平行排列的柱狀晶束，相鄰晶束取向不同，這與 “棋盤狀” 的激光掃描路徑有關｡Ti-P 組織中柱狀晶束長度及寬度分別約為 300μm 和 10μm, 明顯大于 Ti-C 柱狀晶束的長度與寬度｡一般來說，在打印過程中，垂直方向的冷卻速率大于平行方向，因而結晶度更高，組織更細小 [11]｡熱處理后，兩組試樣組織中的孔洞仍然存在，且組織變得更為復雜，柱狀晶束再結晶后轉變為由取向隨機分布的針狀α相和片狀晶組成的魏氏組織｡Ti-P-H 魏氏組織中的針狀α相尺寸大但數量少，而 Ti-C-H 組織中的針狀α相尺寸小但密度大｡魏氏組織的形成與熱處理過程中的冷卻階段有關，在快速冷卻的條件下，針狀α相從柱狀晶形齔�｡
2.2 力學性能
四組試樣的拉伸曲線如圖 3 所示，抗拉強度值 Rm 和斷后延伸率見表 1｡Ti-P 試樣的抗拉強度和延伸率分別為 709MPa 和 23.8%,Ti-C 試樣的抗拉強度和延伸率分別為 638MPa 和 21.6%｡熱處理后試樣抗拉強度有所提高，而延伸率明顯降低，Ti-P-H 試樣的抗拉強度和延伸率分別為 808MPa 和 3.9%,Ti-C-H 試樣的抗拉強度和延伸率分別為 783MPa 和 4.5%｡總之，平行于激光掃描方向的試樣力學性能優于垂直方向試樣，這主要是因為平行方向打印缺陷較少｡雖然垂直于激光方向組織更為細小，但細晶強化作用被打印缺陷掩蓋｡熱處理后粗大的柱狀晶完成再結晶，轉變為由針狀α相和等軸晶組成的魏氏組織｡由于晶粒細化，組織中位錯密度提高，材料的強度有所提高｡塑性的顯著降低是由于魏氏體組織的出現｡大量研究表明，魏氏組織損害金屬的塑性和韌性，可能是因為針狀α相破壞了等軸晶組織的連續性 [12,13]｡
表 1 不同樣品抗拉強度和斷后延伸率
| Ti-P | Ti-C | Ti-P-H | Ti-C-H | |
| Rm / MPa | 709 | 638 | 808 | 783 |
| δ/% | 23.8 | 21.6 | 3.9 | 4.5 |
四組試樣斷口 SEM 照片如圖 4 所示｡Ti-P 和 Ti-C 試樣斷口均分布有大量韌窩，說明斷裂方式為塑性斷裂，3D 打印 TA1 呈現出較好的塑性，與圖 3 結果一致｡Ti-P-H 試樣斷口較為平整，包含少量深度較淺的韌窩和河流花樣｡Ti-C-H 試樣斷口有裂紋與明顯的撕裂痕，裂紋的產生可能與孔洞有關｡大量河流花樣與剪切舌分布其中，是典型的脆性斷裂特征｡上述結果進一步說明熱處理后3D打印 TA1 塑性急劇下降，其中 Ti-C-H 試樣塑性最差｡
圖 5 (a) 所示為3D打印 TA1 熱處理前后的顯微維氏硬度壓痕，圖 (b) 是對應維氏硬度值｡熱處理前 Ti-C 的硬度值高于 Ti-P, 熱處理后兩組試樣的硬度值均顯著提高｡其中 Ti-C-H 高于 Ti-P-H｡3D 打印 TA1 的硬度也和組織有直接關系，Ti-C 柱狀晶束小于 Ti-P, 因而位錯密度更高，硬度值較高｡同時，打印過程中垂直方向冷卻較快，組織中可能存在較大應力，致使硬度值提高 [14]｡熱處理后兩組試樣的組織均轉化為魏氏組織，是硬度顯著提高的主要原因｡值得注意的是，Ti-C 組織中的打印缺陷降低了其抗拉強度，但并未影響其硬度｡
3、結論
本研究借助激光3D打印技術制備出 TA1 純鈦，并對其進行熱處理｡借助 XRD 和光學顯微鏡研究了其組織結構｡通過拉伸試驗和硬度測試表征了試樣的力學性能，并對斷口形貌進行研究和分析，采用電化學工作站評價其耐蝕性，得出以下結論:
(1) 激光3D打印 TA1 組織為角度隨機分布的柱狀晶束，其中平行于激光方向柱狀晶束尺寸大于垂直方向，但孔洞缺陷少于垂直方向｡熱處理后柱狀晶束轉變為由粗大等軸晶和針狀α相組成的魏氏組織，平行方向組織中針狀α相少但尺寸大，垂直方向的針狀α相多但尺寸小｡
(2) 激光3D打印 TA1 力學性能呈各向異性，平行方向強度與塑性優于垂直方向，硬度不及垂直方向｡熱處理后，強度和硬度提高，塑性顯著降低｡
參考文獻
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（注，原文標題：熱處理對3D打印工業純鈦TA1組織及性能的影響）