国内动态|四川大学唐军教授团队：实现高强韧Ti55531合金粉末床增材制造全流程工艺验证
随着新一代飞行器向着高速化、大型化、结构复杂化以及提升燃油效率等方向发展，具有轻质、高强、高韧以及高容限损伤的钛合金则成为发展的重点之一。在众多高强高韧钛合金中，Ti55531（Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-1Zr）钛合金是俄罗斯VSMPO公司与空客公司在BT22合金基础上联合研发的新型高强高韧近β型钛合金。在退火态下，该合金抗拉强度可达1080 MPa，经固溶时效强化后，抗拉强度可超1500MPa。该合金不仅继承了传统高强高韧钛合金的优点（如高强度、优异的断裂韧性、高淬透性等），同时也规避了大部分传统高强高韧钛合金缺点；该合金还具备优异的高温力学性能、疲劳强度以及耐腐蚀性能。目前，Ti55531合金已经成功应用于空客A380飞机的发动机吊挂和起落架，波音787和空客A350的某些承力结构件也采用了该合金制造，在未来中国大飞机次承力件、尤其是承力件的制造中具有极好的应用前景，也有望成为我国各类航空航天飞行器的结构材料之一。
航空航天领域中的钛合金承力部件往往存在着形状复杂、性能要求较高等特点，一直是技术发展的瓶颈。传统的钛合金部件先锻造后机加工的减材制备方式生产工序繁杂，加工周期较长，材料利用率低。近年来，增材制造技术作为一种集制造信息化、智能化、个性化于一体的快速制造技术，它突破了传统加工技术对部件设计和成型的限制，可实现复杂几何结构钛合金部件的一体化制造，为具有复杂几何结构的近β钛合金部件的加工提出了一种新的思路，在航空航天领域的应用愈加广泛。但是，作为典型的高钼当量钛合金，Ti55531合金的β稳定元素含量较高，β相转变点较低，在快速冷却过程中的相变非常复杂，微观组织演变对热效应十分敏感，且增材制造过程中凝固速率极高、熔池中温度梯度极高。因此，Ti55531增材制造是一项具有挑战性工作。
四川大学唐军教授与邓浩博士在四川省科技厅、中国商飞北研中心、中国民用航空局第二研究所的资助下，在国内外率先开展了Ti55531选取激光选区熔化(SLM)和电子束选区熔化(EBM)增材制造研究，探索了加工工艺参数与成型性能的耦合关系、成型态样品的微观组织形貌演变与相析出机制、热处理对微观组织调控，主要取得以下阶段性进展：
首先采用SLM技术加工了Ti55531合金，发现SLM过程中极快的冷却速率导致成型态的Ti55531合金只形成了亚稳β相，但β晶粒内部含有高密度的小角度晶界赋予了SLM-Ti55531良好的热处理性能。通过三种常规热处理，使得SLM加工的Ti55531合金的抗拉强度达到1300 MPa，并保有10%的延伸率。相关成果以题为“Heat-treatment induced microstructural evolution and enhanced mechanical property of selective laser melted near β Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-1Zr alloy”发表在了Journal of Alloys and Compounds期刊上（DOI: doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.158351）。
图1、Ti55531 SLM打印件热处理后的组织调控
图2、Ti55531 SLM打印件热组织调控后的拉伸力学性能
研究团队通过在基板上施加700 ℃的预热温度，形成一种原位的热处理效应，可以充分分解快速冷却导致的亚稳β相，使得SLM加工的Ti55531合金中析出了纳米级α相，有效提升了Ti55531合金的强度。该成果则以题为“Microstructure and mechanical property of Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-1Zr alloy fabricated by selective laser melting with a preheated substrate”发表在了Advanced Engineering Materilas期刊上（DOI: 10.1002/adem.202100265）。
图3、SLM打印过程中通过基板温度调节器对其显微组织
团队还深入研究了EBM技术加工Ti55531合金的相变机制和力学性能，发现在EBM过程中由于自上而下的热积累效应，使得Ti55531合金在不同沉积高度下的β相的稳定性随着温度发生了变化，在沉积的样品中析出了一种梯度结构，即底部为片层组织，而中部和顶部析出了双片层组织。进一步研究发现EBM加工的Ti55531合金的拉伸强度为1080 MPa，延伸率达到12%，同时断裂韧性高达85 MPa.m1/2，具有优异的损伤容限性能。目前，该工作以题为“Graded hierarchical microstructure and mechanical property of electron beam melted Ti–5Al–5Mo–5V–3Cr–1Zr”发表在了“Materials Science and Engineering A”期刊上（DOI: doi.org/10.1016/j.msea.2021.141914）。
图4、Ti55531 EBM打印件构效关系
总之，研究团队从粉末制备、打印到后处理全过程验证了Ti55531高强韧钛合金增材制造工艺流程，打印件静态力学强度与锻件相当，初步明晰了粉末床增材制造技术在制造高强韧Ti55531钛合金时的凝固与相转变机制以及热处理改善增材制造钛合金的非平衡组织的潜力，为增材制造技术加工高强高韧的近β钛合金提供了新的策略。研究结果还表明，Ti55531增材制造部件加工成本略高于Ti-6Al-4V，但静强度提升可达20~30%，未来在航空航天领域关键承力件增材制造中极具应用前景。
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