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大厚度TC4钛合金激光增材毗连历程分区组织调控

宣布时间：2024-12-07 16:22:52 浏览次数：

为知足新一代航行器轻量化、长寿命的需求，，，，，，，，其结构件逐步向大型化、整体化趋势生长[1]。。。。。。。。现在大型轻合金毗连结构在航空航天领域的应用越来越普遍[2-5]，，，，，，，，但古板铸造工艺的难度随着结构件尺寸的增大而急剧增添，，，，，，，，在后续加工历程中还保存周期长、本钱高等问题，，，，，，，，无法知足目今航空航天大型整体结构的制造需求[6]。。。。。。。。同时，，，，，，，，古板的铆接和螺纹连接方法增添了却构件的整体质量，，，，，，，，古板的焊接历程带来较大的热输入使得焊接区域的力学性能显着受损，，，，，，，，且易导致大型构件变形，，，，，，，，因此，，，，，，，，亟待研发一种新型毗连方法以知足大型整体构件制造需求[7-8]。。。。。。。。激光增材毗连手艺是基于激光同轴送粉增材制造手艺，，，，，，，，在两个结构件的坡口间逐层填充质料，，，，，，，，最终实现金属基材的整体毗连。。。。。。。。同时，，，，，，，，该手艺也具有成形件尺寸及结构险些不受限制、讨论内部组织致密且力学性能优异、工艺柔性高且制造本钱低等优势[9]。。。。。。。。TC4钛合金因其比强度高、耐侵蚀性好、韧性高而普遍应用于航空航天领域，，，，，，，，现在已在航行器大型框梁结构乐成应用[10-13]。。。。。。。。未来为了应对运载火箭、飞机燃气轮机与发念头等大型钛合金构件毗连所带来的挑战，，，，，，，，迫切需要引入激光增材毗连手艺，，，，，，，，以实现大厚度结构件毗连高效率、高质量的一体化制造[14]。。。。。。。。现在，，，，，，，，大大都学者接纳电子束焊接手艺对大厚度结构件举行毗连。。。。。。。。IRVING等[15]使用电子束焊接手艺实现了50 mm厚板TC4钛合金的焊接，，，，，，，，并优化工艺参数以降低构件整体剩余应力。。。。。。。。RAE等[16]举行了厚板钛合金环的电子束焊接，，，，，，，，研究了讨论中微观组织与剩余应力的关系。。。。。。。。CHEN等[17]研究了钛合金厚板电子束焊接讨论的力学性能，，，，，，，，剖析了差别工艺参数对讨论组织形貌及拉伸性能的影响机理。。。。。。。。？？？？？？跸聪等[18]使用电子束焊接对大厚度TA15钛合金(≥70 mm)举行焊接，，，，，，，，剖析了焊接讨论宽度及深度偏向的组织与性能匀称性。。。。。。。。高福洋等[19]对 120 mm 厚Ti6321钛合金电子束焊接讨论熔合区组织举行深入研究，，，，，，，，发明熔合区晶粒从顶部到 90 mm 处逐渐增大，，，，，，，，而在焊缝底端逐渐减小。。。。。。。。同时，，，，，，，，刘畅等[20]也发现了钛合金电子束焊接讨论组织具有不匀称性，，，，，，，，最终影响整个讨论的力学性能。。。。。。。。由于电子束焊接大厚度结构件尺寸受；；；；；；；は涮尺寸的限制，，，，，，，，因此其毗连件的尺寸均在100 mm左右。。。。。。。。而关于激光增材毗连手艺，，，，，，，，毗连件尺寸及结构险些不受限制，，，，，，，，因此可以一体化制造更大尺寸的结构件。。。。。。。。GAO 等[21-22]制备了 80 mm 大厚度激光增材毗连TC4钛合金结构件，，，，，，，，探讨了梯度转变的激光功率对其微观组织的影响，，，，，，，，并团结有限元仿真手艺揭示了热积累对微观结构匀称性的影响机理。。。。。。。。LING等[23]剖析了大厚度钛合金激光增材毗连历程中缺陷的形成机制，，，，，，，，且对焊接讨论差别区域的微观结构和元素漫衍举行了深入剖析。。。。。。。。XU等[24]研究了热输入对激光增材毗连试样的相组成、微观结构及力学性能的转变纪律。。。。。。。。激光增材毗连手艺中快速熔化和凝固历程以及热行为在很洪流平上取决于激光功率、扫描速率等工艺参数[25-27]。。。。。。。。高激光功率不但使晶粒粗大，，，，，，，，并且由于高能量输入和低冷却速率，，，，，，，，降低了针状马氏体相的体积分数，，，，，，，，进而导致其拉伸性能下降[28-29]。。。。。。。。另外，，，，，，，，激光增材毗连历程在较低的

扫描速率下热输入较大，，，，，，，，致使晶粒粗化且力学性能劣化[30]。。。。。。。。相比之下，，，，，，，，增添扫描速率可以提高冷却速率，，，，，，，，促使针状马氏体大宗析出，，，，，，，，最终提高质料的抗拉强度值[28, 31]。。。。。。。。综上所述，，，，，，，，海内外已有大宗学者通过焊接或增材的方法对大尺寸构件举行毗连，，，，，，，，但其制造历程中由于热累积效应导致毗连区域组织与性能劣化，，，，，，，，因此，，，，，，，，需要对大尺寸厚板差别区域的微观组织举行精准调控。。。。。。。。现在，，，，，，，，关于激光增材毗连历程分区组织调控要领鲜有报道，，，，，，，，激光有用能量对差别区域组织演变机制尚不明确。。。。。。。。

本文针对150 mm大厚度TC4钛合金基材开展激光增材毗连实验，，，，，，，，研究差别工艺参数下增材毗连试样沉积区与细小等轴晶区的微观组织演变纪律。。。。。。。。针对增材毗连试样差别位置举行分区组织调控，，，，，，，，通过改变激光有用能量来定量控制差别区域的晶粒尺寸及析出相数目，，，，，，，，阻止由于热累积造成的组织粗化征象，，，，，，，，最终实现毗连件整体力学性能的提升，，，，，，，，为大厚度TC4钛合金激光增材毗连手艺的工程应用提供一定的理论支持。。。。。。。。

1、实验

1.1 实验质料

接纳激光增材毗连手艺毗连两块厚度为 150 mm的“X”型坡口TC4钛合金基材，，，，，，，，所使用的设备主要包括最大输出激光功率为6000 W的光纤激光爆发器、双料斗送粉器、同轴激光熔覆喷嘴、六轴 KUKA 机械人系统。。。。。。。。

其中同轴激光熔覆喷嘴型号为 D10-RF-T，，，，，，，，其喷嘴最后直径为 24 mm，，，，，，，，粉斑的焦距为20 mm。。。。。。。。本试验接纳的粉末质料为长沙天久金属质料有限公司使用等离子旋转电极法制备的TC4球形粉末，，，，，，，，粒径为80~150 μm，，，，，，，，且该粉末的化学因素如表1所示。。。。。。。。该粉末的除湿历程在真空炉中举行，，，，，，，，加热温度坚持在 102 ℃，，，，，，，，保温时间为2 h，，，，，，，，随后在真空条件下炉冷却至室温。。。。。。。。

1.2 实验要领

接纳砂纸对TC4钛合金基材坡口处举行打磨，，，，，，，，之后对其外貌举行物理与化学洗濯，，，，，，，，使增材毗连界面平整平滑且无污染。。。。。。。。在激光增材毗连历程中，，，，，，，，使用纯度为 99.99%、气流量为 15 L/min 的氩气作为；；；；；；；て，，，，，，，，以阻止钛合金氧化。。。。。。。。；；；；；；；て逶谠霾呐连前需充满手套箱室，，，，，，，，以确保沉积室中的氧含量低于5×10-5。。。。。。。。增材历程接纳“S”形扫描路径，，，，，，，，道间横移量为1.5 mm，，，，，，，，每层抬枪量为0.5 mm，，，，，，，，逐层填充 “X”型坡口，，，，，，，，直到TC4钛合金基材的顶端毗连完成，，，，，，，，150 mm大厚度钛合金激光增材毗连试样见图1 (a)，，，，，，，，其增材毗连历程见图1(b)。。。。。。。。

接纳线切割划分在激光增材毗连大厚度钛合金试样的顶部、中上部、中部、中下部、底部熔化边界区域及沉积层芯部切取金相试样与拉伸试样。。。。。。。。金相试样接纳 4 mL HNO3+2 mL HF+100 mL H2O 的Kroll 试剂举行侵蚀，，，，，，，，之后接纳光学显微镜(OM，，，，，，，，Leica DM2700 M)与扫描电子显微镜(SEM，，，，，，，，ZEISS EVO18)对差别区域微观组织举行视察。。。。。。。。在拉伸试验机(CMT 5305)上以1 mm/min的加载速率对差别工艺参数下的激光增材毗连大厚度钛合金举行拉伸试验，，，，，，，，确定各个试样的抗拉强度、伸长率和断面收缩率，，，，，，，，并使用扫描电镜视察拉伸试样的断口形貌，，，，，，，，拉伸件取样位置及拉伸件详细尺寸见图1(c)。。。。。。。。

2、效果与讨论

2.1 激光增材毗连钛合金晶粒形态分区调控研究

2.1.1 激光功率对增材毗连钛合金沉积区晶粒形态的影响

针对“X”型坡口钛合金基材举行激光增材连接，，，，，，，，接纳一直转变的工艺参数对差别区域的微观组织举行定量调控，，，，，，，，为提升激光增材毗连大厚度钛合金构件整体力学性能提供手艺支持。。。。。。。。图2(a)所示为大厚度钛合金激光增材毗连试样局部形貌，，，，，，，，在该区域黄色虚线框处切取金相试样，，，，，，，，进一步剖析熔化边界周围晶粒形貌随着激光功率的转变纪律，，，，，，，，此时扫描速率恒定为10mm/s。。。。。。。。坡口底部接纳的激光功率为2000 W，，，，，，，，该位置显着分为基材区、细小等轴晶区(Equiaxed grain zone, EQZ)与沉积区(见图 2(b))。。。。。。。。由于基材温度较低，，，，，，，，熔化界线过冷度较大，，，，，，，，易在EQZ内形成细小的等轴晶。。。。。。。。之后，，，，，，，，细小等轴晶向沉积区中心外延生长，，，，，，，，形成细小柱状晶 (Fine columnar grain,FC)。。。。。。。。在沉积区芯部，，，，，，，，由于散热速度较慢，，，，，，，，热累积效应显着，，，，，，，，形成粗大柱状晶(Coarse columnar grain,CC)。。。。。。。。为了避免外延生长的柱状晶继续粗化，，，，，，，，需要降低热输入，，，，，，，，因此在“X” 型坡口中下部接纳的激光功率为1000 W。。。。。。。。从图2(c)可以看出，，，，，，，，热输入降低后 EQZ 的宽度略有下降，，，，，，，，且沉积区柱状晶尺寸与前者相比有所减小。。。。。。。。但该参数下热输入较低，，，，，，，，导致熔化界线处泛起显着未熔合缺陷，，，，，，，，最终致使激光增材毗连厚板的力学性能劣化。。。。。。。。因此，，，，，，，，在“X”型坡口中部接纳的激光功率为1500 W，，，，，，，，提升热输入后熔化界线处未泛起未熔合缺陷(见图2(d))。。。。。。。。但该位置柱状晶尺寸在热累积作用下，，，，，，，，沉积区边沿与芯部的柱状晶尺寸均有一定程度的长大。。。。。。。。对差别激光功率下的沉积区边沿细小柱状晶尺寸举行定量统计，，，，，，，，发明当激光功率从1000 W增至2000W 时，，，，，，，，细小柱状晶长度与宽度均增添 10.5%左右，，，，，，，，其长宽比增添5.6%左右，，，，，，，，证实激光功率增加时柱状晶沿长度偏向的生长速率大于沿宽度方向。。。。。。。。但当激光功率为1500 W时，，，，，，，，柱状晶长度与宽度均大于前两种工艺参数获得的柱状晶尺寸。。。。。。。。这是由于使用该参数打印至坡口中部时热累积效应显著，，，，，，，，导致柱状晶尺寸粗化(见图3(a))。。。。。。。。同理，，，，，，，，沉积区芯部的柱状晶尺寸转变纪律与沉积区边沿相同，，，，，，，，当激光功率为1000 W时，，，，，，，，该区域柱状晶平均宽度最小，，，，，，，，仅为0.65 mm。。。。。。。。当激光功率为1500 W时，，，，，，，，在热输入与热累积同时增添的情形下，，，，，，，，柱状晶平均宽度显著增大至1.34 mm左右(见图3(b))。。。。。。。。另外，，，，，，，，当激光功率为2000 W时，，，，，，，，此时熔化界线温度梯度较大且过冷度较高，，，，，，，，细小等轴晶形成区域也随之增加，，，，，，，，可达 1.01 mm 左右。。。。。。。。但当激光功率为 1000 和1500 W时，，，，，，，，EQZ宽度下降至0.6 mm左右，，，，，，，，这是因为在增材至坡口中部历程中，，，，，，，，温度梯度较大导致细小等轴晶直接外延生长形成柱状晶，，，，，，，，EQZ宽度有所降低。。。。。。。。

2.1.2 扫描速率对激光增材毗连钛合金沉积区晶

粒形态的影响基于第2.1.1节的研究效果，，，，，，，，发明通过改变激光功率可调控差别区域的组织形态，，，，，，，，但接纳2000 W的激光功率时热输入太高导致柱状晶粗化严重，，，，，，，，接纳1000 W时热输入较低易泛起未熔合缺陷。。。。。。。。这说明通过改变激光功率来调控组织形态的参数迅速度较高。。。。。。。。因此，，，，，，，，本节将激光功率恒定为 1500 W，，，，，，，，通过改变扫描速率来调控差别区域的组织形态。。。。。。。。图4(a)所示为大厚度钛合金激光增材毗连试样局部形貌，，，，，，，，在该区域黄色虚线框处切取金相试样，，，，，，，，进一步剖析熔化界线周围晶粒形貌随着扫描速率的转变纪律。。。。。。。。由于前期热

累积征象显着，，，，，，，，导致柱状晶粗化严重，，，，，，，，因此在“X”型坡口中部接纳20 mm/s的扫描速率，，，，，，，，使增材热输入量降低。。。。。。。。由图 4(b)可知，，，，，，，，该工艺参数下沉积区边沿与芯部的柱状晶尺寸显著下降。。。。。。。。同时由于在该工艺参数下熔化界线温度梯度较大，，，，，，，，EQZ宽度有所减小，，，，，，，，这是由于该区域内等轴晶易转变为柱状晶向沉积区芯部生长。。。。。。。。另外，，，，，，，，由于该参数下热输入量较小，，，，，，，，导致熔化界线泛起连续漫衍的孔洞缺陷。。。。。。。。因此，，，，，，，，在打印至坡口中上部时，，，，，，，，将扫描速率降低至10 mm/s以增大热输入量，，，，，，，，包管熔化界线无显着缺陷(见图4(c))。。。。。。。。在该工艺参

数下，，，，，，，，沉积区边沿与芯部的柱状晶尺寸粗化严重，，，，，，，，且EQZ宽度也随着热输入的增添而扩增。。。。。。。。为了防止柱状晶继续粗化，，，，，，，，在打印至坡口顶层时扫描速率增添至15 mm/s，，，，，，，，此时由于热输入降低致使沉积区边沿柱状晶尺寸显着细化，，，，，，，，但沉积区芯部柱状晶细化征象不显着(见图4(d))。。。。。。。。对差别扫描速率下的沉积区边沿细小柱状晶尺寸举行定量统计，，，，，，，，发明当扫描速率从10 mm/s增至15 mm/s 时，，，，，，，，细小柱状晶长度与宽度均下降凌驾30%。。。。。。。。但当扫描速率从 15 mm/s 增至 20 mm/s 时，，，，，，，，细小柱状晶长度与宽度减小量不凌驾 4%(见图 5 (a))。。。。。。。。同时，，，，，，，，随着扫描速率的增添，，，，，，，，细小柱状晶的长宽比显著增添，，，，，，，，说明热输入降低后沉积区边沿冷却速率与温度梯度增添，，，，，，，，柱状晶沿长度偏向的生长速率大于沿宽度偏向。。。。。。。。同理，，，，，，，，随着扫描速率的增加，，，，，，，，沉积区芯部的热累积效应减小，，，，，，，，柱状晶宽度逐步减小(见图 5(b))。。。。。。。。另外，，，，，，，，当扫描速率为 10 mm/s时，，，，，，，，此时热输入量较大，，，，，，，，熔化界线温度较高且温度梯度较小，，，，，，，，有利于形成等轴晶，，，，，，，，致使EQZ宽度有所增添。。。。。。。。但随着扫描速率增添至15 mm/s和20 mm/ s时，，，，，，，，熔化界线冷却速率加速且温度梯度增添，，，，，，，，有利于继续生长形成细小柱状晶，，，，，，，，最终导致EQZ宽度有所下降。。。。。。。。

2.1.3 激光功率对激光增材毗连钛合金

EQZ 内晶粒尺寸的影响图6所示为差别激光功率调控下增材毗连大厚度钛合金EQZ内晶粒形貌及尺寸漫衍。。。。。。。。当激光功率为1000 W时，，，，，，，，EQZ中大部分晶粒直径在0.1~0.2 mm规模内，，，，，，，，其平均晶粒尺寸仅为0.22 mm。。。。。。。。当激光功率增至 1500 W 时，，，，，，，，大部分晶粒直径集中在0.2~0.25 mm之间，，，，，，，，其平均晶粒尺寸略有增添，，，，，，，，增长率仅为9.1%。。。。。。。。而激光功率为2000 W时，，，，，，，，EQZ中等轴晶显著粗化，，，，，，，，平均晶粒直径增添率高达27.3%。。。。。。。。为了探索激光增材毗连历程中 EQZ 内等轴晶的生长动力学，，，，，，，，接纳经典的晶粒生长动力方程举行深入剖析[32]：

式中：G为晶粒受热长大后的尺寸；；；；；；；G0为初始晶粒尺寸；；；；；；；n为晶粒生长动力学指数；；；；；；；K0为常数；；；；；；；t为激光在某个位置的坚持时间；；；；；；；R为摩尔气体常数；；；；；；；T为局部区域温度；；；；；；；Q为晶粒生长活化能。。。。。。。。当扫描速率恒定稳固，，，，，，，，激光在某个位置的坚持时间t也稳固，，，，，，，，此时激光功率增大导致EQZ温度上升，，，，，，，，凭证式(1)可知晶粒尺寸也会随之粗化。。。。。。。。同时，，，，，，，，由式(1)还可以发明，，，，，，，，随着温度 T 上升，，，，，，，，晶粒尺寸 G 呈指数增长，，，，，，，，这诠释了激光功率从1500 W增至2000 W时平均晶粒直径剧增的缘故原由。。。。。。。。

2.1.4 扫描速率对激光增材毗连钛合金

EQZ 内晶粒尺寸的影响当激光增材至坡口中上部时，，，，，，，，由于热累积作用易导致晶粒急剧生长，，，，，，，，若接纳激光功率举行调控会进一步促使晶粒粗化，，，，，，，，因此，，，，，，，，接纳参数迅速度较小(调解扫描速率)的分区调控要领。。。。。。。。图7所示为差别扫描速率调控下增材毗连大厚度钛合金EQZ内晶粒形貌及尺寸漫衍。。。。。。。。当扫描速率为 10 mm/s 时，，，，，，，，EQZ 中大部分晶粒直径在 0.1~0.4 mm 规模内，，，，，，，，其平均晶粒尺寸为 0.27 mm。。。。。。。。当扫描速率增添至 15 mm/s时，，，，，，，，大部分晶粒直径集中在0.15~0.25 mm之间，，，，，，，，其平均晶粒尺寸显著减小，，，，，，，，降低率高达22.2%。。。。。。。。而扫描速率继续增添至 20 mm/s 时，，，，，，，，EQZ中等轴晶细化水平不显着，，，，，，，，平均晶粒直径仅降低14.3%。。。。。。。。由式(1)可知，，，，，，，，随着扫描速率一直加速，，，，，，，，激光在某个位置的坚持时间t显着缩短，，，，，，，，致使EQZ中等轴晶生长速率较缓。。。。。。。。同时还可以发明，，，，，，，，随着坚持时间t上升，，，，，，，，晶粒尺寸G呈线性增添。。。。。。。。这批注相比于改变激光功率而言，，，，，，，，改变扫描速率对晶粒尺寸的影响水平较低，，，，，，，，因此在激光增材毗连至坡口中上部时应选用加速扫描速率的要领举行分区调控。。。。。。。。

2.2 激光增材毗连钛合金析出相分区调控研究

2.2.1 激光功率对增材毗连钛合金析出相形态的影响图 8 所示为经激光功率调控后大厚度钛合金激光增材毗连试样差别区域的析出相形貌，，，，，，，，此时扫描速率牢靠为15 mm/s。。。。。。。。从激光增材毗连试样熔化界线处切取金相试样，，，，，，，，通过金相显微镜视察发现该位置显着分为沉积区、EQZ 和基材(见图 8(a)和(b))。。。。。。。。当激光功率为1000 W时，，，，，，，，在EQZ中的块状β相上析出大宗细小针状α相，，，，，，，，而在沉积区的β晶粒中针状 α 相的长度显着增大(见图 8(c)和(f))。。。。。。。。这是由于该参数下 EQZ 与沉积区冷却速率较快，，，，，，，，导致针状α相析出尺寸较大且数目较多。。。。。。。。当激光功率增至1500 W时，，，，，，，，在EQZ中的块状β相边沿析出部分细小针状α相，，，，，，，，相比于上一工艺参数，，，，，，，，沉积区中β晶粒中针状α相宽度略有上升(见图8(d)和(g))。。。。。。。。当激光功率继续增至2000 W时，，，，，，，，由于此时热输入较大，，，，，，，，EQZ与沉积区冷却速率较慢，，，，，，，，致使这些区域内的针状α相析出尺寸减小，，，，，，，，且数目与镌汰(见图8 (c)和(h))。。。。。。。。

2.2.2 扫描速率对增材毗连钛合金析出相形态的影响

经扫描速率调控后大厚度钛合金激光增材毗连试样差别区域的析出相形貌如图9(a)所示，，，，，，，，此时固定激光功率1500 W。。。。。。。。从激光增材毗连试样熔化边界处切取金相试样，，，，，，，，通过金相显微镜视察发明，，，，，，，，该位置经扫描速率调控后的EQZ宽度比激光功率调控后的宽度显着增大(见图9(a)和(b))。。。。。。。。当扫描速率为10 mm/s时，，，，，，，，在EQZ中的块状β相边沿析出细小针状α相，，，，，，，，而在沉积区的β晶粒中针状α相尺寸略有增大(见图 9(c)和(f))。。。。。。。。当扫描速率增至 15 mm/s时，，，，，，，，在EQZ中的块状β相边沿细小针状α相尺寸与数目均有增添。。。。。。。。另外，，，，，，，，在沉积区的β晶粒中针状α相体积分数显著增添，，，，，，，，但该相尺寸相比于上一工艺参数下的情形无显著转变(见图9(d)和(g))。。。。。。。。当扫描速率增添至20 mm/s时，，，，，，，，此时热输入较低且EQZ与沉积区冷却速率较快，，，，，，，，致使这些区域内的针状α相析出尺寸与数目与前两组参数下的情形相比均显着增添(见图9(e)和(h))。。。。。。。。

2.2.3 分区组织调控对激光增材毗连钛合金力学

性能的影响由于差别工艺参数组合下激光进入熔池的有用激光能量(Ee)也有所差别，，，，，，，，因此，，，，，，，，本节通过盘算不同区域的Ee值，，，，，，，，探索差别区域组织差别对激光增材毗连钛合金力学性能的影响。。。。。。。。大厚度钛合金激光增材毗连历程中进入熔池的Ee值可以形貌为[33]：

式中：P为激光功率；；；；；；；v为激光扫描速率；；；；；；；F为送粉率。。。。。。。。激光增材毗连试样底部接纳的激光功率为2000 W，，，，，，，，扫描速率为10 mm/s，，，，，，，，该参数对应的Ee值为9.71×10⁵ J，，，，，，，，此时β晶界周围形成大宗的平行生长的α-Ti 团簇束，，，，，，，，而在 β 晶粒内形成针状相交织分布的网篮状组织(见图 10(f))。。。。。。。。激光增材毗连试样中下部接纳的激光功率为 1000 W，，，，，，，，扫描速率为10 mm/s，，，，，，，，该参数组合对应的 Ee 值为 2.43×10⁵ J，，，，，，，，此时 β晶界与晶内均为针状相交织漫衍的网篮状组织(见图 10(b))。。。。。。。。增材至坡口中部时接纳的激光功率为 1500W，，，，，，，，扫描速率为 20 mm/s，，，，，，，，该参数组合对应的 Ee值为 4.33×10⁵ J，，，，，，，，此时也未在 β 晶界析出平行漫衍的α-Ti团簇束，，，，，，，，且晶内仍为网篮状组织(见图10(c))。。。。。。。。继续增材至坡口中上部时，，，，，，，，接纳的激光功率为 1500 W，，，，，，，，扫描速率为 10 mm/s，，，，，，，，该参数组合对应的 Ee值为 5.46×10⁵ J，，，，，，，，此时 β 晶界最先析出少量 α-Ti 团簇束(见图 10(e))。。。。。。。。最终激光增材连接试样顶部接纳的激光功率为1500 W，，，，，，，，扫描速率为 15 mm/s，，，，，，，，该参数组合对应的Ee值为4.77×10⁵ J，，，，，，，，此时β晶界局部区域析出α-Ti团簇束，，，，，，，，晶内主要以网篮状组织为主(见图10(d))，，，，，，，，且适当的α-Ti团簇束数目有利于提升TC4钛合金强度[34]。。。。。。。。对差别工艺参数下沉积区针状α相的尺寸举行定量统计发明(牢靠扫描速率15 mm/s)，，，，，，，，随着激光功率从 1000 W 增至 2000 W，，，，，，，，该析出相的平均长度减小40%以上，，，，，，，，而平均宽度增添20%左右(见图11(a))。。。。。。。。这说明在有用激光能量从2.43×10⁵ J增添至9.71×10⁵ J历程中熔池内部温度急剧升高，，，，，，，，导致凝固速率显著减缓，，，，，，，，α相呈短棒状析出，，，，，，，，与图8(h)所示析出相形貌相符。。。。。。。。另外，，，，，，，，随着扫描速率从 10 mm/s 增至 20 mm/s(牢靠扫描功率 1500 W)，，，，，，，，该析出相的平均长度增添仅13%左右，，，，，，，，而平均宽度增加 80% 左右(见图 11(b))。。。。。。。。这说明有用激光能量从5.46×10⁵ J 降至 4.33×105 J 历程中熔池内部温度降低，，，，，，，，导致凝固速率显著加速，，，，，，，，α相呈长针状析出，，，，，，，，与图9(h)所示的析出相形貌相符。。。。。。。。由图11(c)可知，，，，，，，，随着有用激光能量从2.43×10⁵ J增添至9.71×10⁵J，，，，，，，，激光增材毗连钛合金EQZ中α相体积分数呈下降趋势，，，，，，，，且在该区域内析出相数目的降幅较小。。。。。。。。而在沉积区，，，，，，，，随着有用激光能量的增添，，，，，，，，α相体积分数呈先上升后下降的趋势，，，，，，，，且Ee值为4.33×10⁵J时α相体积分数最大，，，，，，，，可达22.60%。。。。。。。。图11(d)所示为激光增材毗连钛合金CCT曲线，，，，，，，，该曲线是由Jmatpro热力学盘算软件获取并绘制的。。。。。。。。

由图11(d)可以看出，，，，，，，，当有用激光能量较低时，，，，，，，，沉积区冷却速率较快，，，，，，，，此时只有针状α相大宗析出，，，，，，，，交织形成网篮状组织，，，，，，，，盘算效果与图10(b)和(c)中的微观组织一致。。。。。。。。而当有用激光能量较高时，，，，，，，，沉积区冷却速率较慢，，，，，，，，此时可析出针状α相与晶界α-Ti团簇束，，，，，，，，盘算效果与图10(d)、(e)和(f)中的微观组织形貌一致。。。。。。。。另外，，，，，，，，定量剖析差别冷却速率下析出相体积分数转变纪律，，，，，，，，发明当沉积区冷却速率较慢时，，，，，，，，析出的针状α相体积分数较少，，，，，，，，仅为95.61%。。。。。。。。而沉积区冷却速率较快时，，，，，，，，析出的针状α相体积分数显著增至 99.85%。。。。。。。。同时，，，，，，，，当冷却速率增添时，，，，，，，，针状马氏体转变温度从835 ℃升高至840 ℃，，，，，，，，致使针状α相更易从基体β晶粒中大宗析出，，，，，，，，有利于钛合金强度的提升(见图11(e)与(f))。。。。。。。。图 12(a)所示为差别有用激光能量下激光增材毗连钛合金试样的抗拉强度与塑性指标的转变规律。。。。。。。。由图12(a)可以看出，，，，，，，，当激光有用能量为2.43×10⁵ J时，，，，，，，，由于熔化界线泛起显着的裂纹，，，，，，，，导致试样中下部抗拉强度仅为412.43 MPa，，，，，，，，伸长率与断面收缩率也仅为2%左右。。。。。。。。由图12(b)可知，，，，，，，，该区域断口形貌中保存大宗未熔化粉末颗粒，，，，，，，，证实该工艺参数组合下热输入较低，，，，，，，，粉末无法完全熔化进入熔池，，，，，，，，导致沉积区与基材接合较差。。。。。。。。当激光有用能量为4.33×10⁵ J时，，，，，，，，试样中部抗拉强度显著上升至919.01 MPa，，，，，，，，但伸长率也仅提升 2.9% 左右，，，，，，，，这是由于断口形貌中保存孔洞缺陷，，，，，，，，导致强度与塑性指标仍较低(见图 12(c))。。。。。。。。当激光有用能量增添至4.77×105 J时，，，，，，，，试样顶部的抗拉强度为902.74 MPa，，，，，，，，且断口韧窝数目较多，，，，，，，，质料塑韧性有所提升(见图12(d))。。。。。。。。当激光有用能量继续增至5.46×10⁵J时，，，，，，，，试样中上部强度降低至896.85 MPa，，，，，，，，这与该参数下针状α相析出量与前者相较量少有关，，，，，，，，同时断口韧窝尺寸较大，，，，，，，，质料塑韧性较好(见图12(e))。。。。。。。。当激光有效能量高达 9.71×10⁵ J 时，，，，，，，，试样底部强度提升至915 MPa左右，，，，，，，，同时质料伸长率与前一参数相比略有下降(见图12(f))。。。。。。。。

3、结论

1) 通过改变激光功率对试样中下部及底部沉积区与EQZ区晶粒形态与尺寸举行分区调控。。。。。。。。当激光功率高达2000 W时，，，，，，，，各区域晶粒粗化严重，，，，，，，，但当激光功率骤降至1000 W时，，，，，，，，熔化界线泛起显着缺陷，，，，，，，，导致力学性能显著下降，，，，，，，，因此激光功率需维持在1500 W。。。。。。。。通过改变激光功率来调控组织形态的参数迅速度偏高，，，，，，，，需改变扫描速率来调控试样中上部及顶部的组织形态。。。。。。。。

2) 随着扫描速率的增添，，，，，，，，激光增材毗连历程的热累积效应减小，，，，，，，，沉积区与EQZ区晶粒尺寸生长缓慢。。。。。。。。但扫描速率为20 mm/s时，，，，，，，，热输入量偏小导致熔化界线泛起一连漫衍的孔洞缺陷，，，，，，，，倒运于该区域强度与塑性的提升。。。。。。。。通过改变激光功率调控晶粒尺寸时，，，，，，，，晶粒直径与温度呈指数增添，，，，，，，，而扫描速率对晶粒尺寸的影响水平较低，，，，，，，，由于晶粒尺寸与热源停留时间仅呈线性增添关系。。。。。。。。

3) 激光功率较低时，，，，，，，，在EQZ中的块状β相周围析出大宗细小针状α相，，，，，，，，而在沉积区的β晶粒中形生长针状的α相。。。。。。。。随着激光功率的增添，，，，，，，，EQZ与沉积区冷却速率逐渐减小，，，，，，，，致使这些区域内的针状α相析出尺寸减小，，，，，，，，且数目显著镌汰。。。。。。。。随着扫描速率的增添，，，，，，，，热输入逐渐降低且EQZ与沉积区冷却速率加大，，，，，，，，致使这些区域内的针状 α 相析出尺寸粗化，，，，，，，，且数目有所增添。。。。。。。。

4) 当有用激光能量较低时，，，，，，，，沉积区冷却速率为100 ℃/s左右，，，，，，，，此时只有针状α相大宗析出，，，，，，，，交织形成网篮状组织。。。。。。。。而当有用激光能量较高时，，，，，，，，沉积区冷却速率仅为10 ℃/s左右，，，，，，，，此时可析出针状α相与晶界α-Ti团簇束。。。。。。。。当激光有用能量为2.43×10⁵J时，，，，，，，，由于熔化界线泛起显着的裂纹，，，，，，，，导致试样抗拉强度仅为412.43MPa，，，，，，，，伸长率与断面缩短率也仅为2%左右。。。。。。。。当激光有用能量增至9.71×10⁵J时，，，，，，，，试样的抗拉强度高达915MPa左右，，，，，，，，但质料的伸长率略有下降。。。。。。。。

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