Research on the Heat Treatment Microstructure and Mechanical Properties of Ti-6Al-4V Alloy Fabricated by Laser Arc Composite Additive Manufacturing

PAN Yanfei; WANG Lin; XU Jian; LI Zhongshu

doi:10.7512/j.issn.1001-2303.2024.10.01

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Research on the Heat Treatment Microstructure and Mechanical Properties of Ti-6Al-4V Alloy Fabricated by Laser Arc Composite Additive Manufacturing
- role： First author 第一作者
- Affiliation：
  Jiangsu Changjiang Intelligent Manufacturing Research Institute Co., Ltd., Changzhou 213012, China
- Email： 13810649359@163.com
- Introduction：潘艳飞（1989—），男，硕士，高级工程师，主要从事焊接自动化及工艺研发。E-mail：13810649359@163.com。
PAN Yanfei
,
- Affiliation：
  Jiangsu Changjiang Intelligent Manufacturing Research Institute Co., Ltd., Changzhou 213012, China
WANG Lin
,
- Affiliation：
  Jiangsu Changjiang Intelligent Manufacturing Research Institute Co., Ltd., Changzhou 213012, China
XU Jian
,
- Affiliation：
  Jiangsu Changjiang Intelligent Manufacturing Research Institute Co., Ltd., Changzhou 213012, China
LI Zhongshu
Vol. 54, Issue 10, Pages: 1-9(2024)
Published： 25 October 2024 ，
DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2024.10.01
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潘艳飞，王琳，许健，等.激光-电弧复合增材制造Ti-6Al-4V合金热处理组织及力学性能研究［J］.电焊机，2024，54（10）：1-9.

PAN Yanfei, WANG Lin, XU Jian, et al.Research on the Heat Treatment Microstructure and Mechanical Properties of Ti-6Al-4V Alloy Fabricated by Laser Arc Composite Additive Manufacturing[J].Electric Welding Machine, 2024, 54(10): 1-9.
潘艳飞，王琳，许健，等.激光-电弧复合增材制造Ti-6Al-4V合金热处理组织及力学性能研究［J］.电焊机，2024，54（10）：1-9. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2024.10.01.

PAN Yanfei, WANG Lin, XU Jian, et al.Research on the Heat Treatment Microstructure and Mechanical Properties of Ti-6Al-4V Alloy Fabricated by Laser Arc Composite Additive Manufacturing[J].Electric Welding Machine, 2024, 54(10): 1-9. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2024.10.01.

Abstract

This article investigated the effects of different heat treatment regimes on the microstructure and mechanical properties of Ti-6Al-4V alloy fabricated by laser arc composite additive manufacturing. The changes in microstructure under different heat treatment parameters were analyzed using optical microscopy and scanning electron microscopy, and the reasons for the changes in mechanical properties of the samples under different solid solution temperatures and cooling rates were explored. The results showed that the microstructure of Ti-6Al-4V alloy fabricated by laser arc composite additive was mainly composed of Widmanstein Flat noodles structure and a small amount of acicular α phase in columnar β grain extending outward from the substrate along the deposition direction. After solution aging heat treatment, the microstructure was mainly a typical interlaced basket structure, the thickness of Flat noodles was significantly reduced, and the plasticity and toughness of the sample were significantly improved. When the solution aging heat treatment scheme was 950 ℃/1 h, AC+540 ℃/6 h, AC, compared with the deposited sample, the grain size was reduced by 2 times and better comprehensive mechanical properties could be obtained. It was recommended to adopt this heat treatment scheme.

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Keywords

composite additive manufacturing; Ti-6Al-4V alloy; heat treatment; microstructure; mechanical property

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0 引言

Ti-6Al-4V合金是一种性能优异的双相钛合金，广泛应用于海洋船舶、航天航空、生物医疗等领域^［

1］。随着制造业的快速发展，传统成形工艺已难以满足大型结构件一次快速成形的需求。电弧增材制造（WAAM）工艺以其高效率、低成本、生产灵活等优点，在大型构件生产制造中具有不可估量的优势^{［Reference 1

Baidu Scholar

1］}。但电弧增材制造存在成形精度差和材料利用率低等问题，激光-电弧复合增材制造（LAHAM）因可以提高一定的成形精度和提高生产效率而受到广泛关注。与电弧增材制造相比，在相同扫描速度下，激光-电弧复合增材制造具有更小的熔池尺寸和更低的温度梯度，应用前景广阔。

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激光-电弧增材制造构件的微观组织较为细密，力学性能较好^［

2］。已有研究证明，激光与电弧的耦合作用能在稳定电弧行为的同时改善焊缝的组织性能。Liu^{［Reference 3

Baidu Scholar

3］}等人发现，与电弧增材制造相比，激光-电弧复合增材制造的Zn元素汽化损失减少了5.8%，构件晶粒尺寸减小了约一半，相关元素分布更加均匀，构件的极限抗拉强度和屈服强度分别提高了11.4%和29.9%。Ma^{［Reference 4

Baidu Scholar

4］}等人研究表明，当最大壁宽相同时，激光-电弧复合增材制造构件的表面粗糙度比电弧增材制造样品降低了34.7%，有效壁宽增加了20%，且激光-电弧复合增材制造构件的各向异性更低。Gong^{［Reference 5

Baidu Scholar

5］}等人发现，随着激光功率的增加，增材过程中熔池的稳定性先上升后下降，熔池表面精度先提高后降低。

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需要指出的是，由于激光-电弧复合增材过程中的快速凝固和多次快速退火，使得激光-电弧复合增材制造Ti-6Al-4V合金的组织与锻造、铸造Ti-6Al-4V合金的组织相比，不仅在微观组织上存在差异，而且在残余应力的分布上也存在巨大差异。然而，关于增材制造钛合金热处理后的微观组织变化却鲜有报道，尤其是热处理对LAHAM Ti-6Al-4V合金的微观组织演变和力学性能的影响了解不够全面，这严重阻碍了LAHAM Ti-6Al-4V合金的发展和应用。因此，本文主要研究了固溶时效热处理工艺中固溶温度、冷却速度等参数对LAHAM Ti-6Al-4V合金微观组织和力学性能的影响。

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1 试验材料和方法

LAHAM试验系统示意如图1所示。试验采用由IPG 10 kW光纤激光器、KUKA六轴联动机器人和Fronius TPS500i型一元化焊机组成的激光-电弧复合增材制造系统制备试样。试验在可控气氛箱中进行，箱内保护气体为氩气。由于电弧起弧和收弧阶段成形存在差异，为保证试样的成形精度，采用往复式扫描沉积增材的方式进行增材。采用厚度为12 mm的Ti-6Al-4V合金板作为基板。基板表面用硬质合金锉打磨掉氧化层后，用砂纸抛光，然后在LAHAM前用丙酮清洗并烘干。LAHAM工艺参数为：激光功率1 500 W，送丝速度6.0 m/min，扫描速度6.0 m/min，保护气体流量为100 L/min。LAHAM Ti-6Al-4V合金试样的尺寸为350 mm×100 mm×7 mm。

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图1 激光-电弧复合增材制造Ti-6Al-4V试验系统

Fig.1 Laser arc composite additive manufacturing Ti-6Al-4V test system

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采用ZEISS Axio Observer光学显微镜对微观组织进行观察，使用Regulus-8100扫描电镜对试样进行微观结构表征。使用万能试验机进行室温拉伸试验，采用SANS摆锤冲击试样机进行冲击试验，通过KB维氏硬度试验机进行硬度试验。

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LAHAM Ti-6Al-4V合金试样热处理制度及参数如图2和表1所示，将试样放入气氛炉中分别经过900 ℃、950 ℃和1 000 ℃固溶1 h进行空冷，然后在540 ℃下保温6 h后进行空冷，研究不同固溶温度对微观组织和力学性能的影响。将试样放在气氛炉中经过950 ℃固溶1 h后分别炉冷（FC）、空冷（AC）和水冷（WC），然后在540 ℃条件下保温6 h后空冷，以研究固溶后不同冷却速度对微观组织和力学性能的影响，并阐述它们之间的关系。

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图2 LAHAM Ti-6Al-4V合金试样固溶时效热处理制度

Fig.2 Solution aging heat treatment system for LAHAM Ti-6Al-4V Alloy specimens

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表1 激光-电弧复合增材制造Ti-6Al-4V合金热处理参数

Table 1 Laser arc composite additive manufacturing Ti-6Al-4V Alloy heat treatment parameters

编号	热处理制度
1	900 ℃/1 h，AC+540 ℃/6 h，AC
2	950 ℃/1 h，AC+540 ℃/6 h，AC
3	1 000 ℃/1 h，AC+540 ℃/6 h，AC
4	950 ℃/1 h，FC+540 ℃/6 h，AC
5	950 ℃/1 h，WC+540 ℃/6 h，AC

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2 试验结果和讨论

2.1 沉积后的微观组织形貌

LAHAM Ti-6Al-4V合金的典型宏观形貌为β柱状晶呈连续外延生长，且沿着增材方向贯穿多个沉积层。柱状晶平均宽度约为350 μm，α片层平均厚度为2.9 μm，由于不同晶体取向不同，增材后的墙体宏观组织呈现出明暗的条带特征，如图3a所示。在LAHAM过程中，熔池的温度梯度较大，且温度梯度方向与扫描方向垂直，熔池底部最先开始凝固，且由于Ti-6Al-4V合金的凝固区间较小，LAHAM沉积墙体中很难生成等轴晶组织。β晶粒内部微观组织主要是细小的魏氏组织，如图3b所示。从图3b可以看出，沉积层间存在明亮的层带组织，这是由于前道次沉积层不断受到后道次沉积层的再加热，使得沉积层热影响区α晶粒发生粗化所致。

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图3 沉积态微观组织形貌

Fig.3 Microstructure of sedimentary wall

2.2 不同固溶温度下LAHAM Ti-6Al-4V微观组织

LAHAM Ti-6Al-4V合金经过900 ℃、950 ℃和1 000 ℃固溶处理1 h后空冷，并在540 ℃时效处理6 h后的光学微观组织如图4所示。从图4a、4b可以看出，经固溶热处理后，其显微组织由沉积态典型的魏氏组织转变为网篮组织，即一种包括初生α相和β转变相的组织，β转变相主要由次生α相和β相组成。不同固溶温度下LAHAM Ti-6Al-4V合金SEM电镜组织形貌如图5所示，不同固溶温度下α板条厚度分布如图6所示。由图5、图6可知，当固溶温度从900 ℃上升到1 000 ℃，α板条的厚度增加，长径比下降。当固溶温度为1 000 ℃时，β晶粒发生了明显的再结晶现象，且由于α相在β晶界析出，先前的β晶粒不再连续。固溶处理后的β晶粒也由先前的柱状晶转变为等轴晶，如图4c所示。图6为不同热处理条件下α片层厚度的分布，可以看出随着固溶温度的升高α片层厚度增加。

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（a） 900 ℃/1 h，AC+540 ℃/6 h，AC

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（b） 950 ℃/1 h，AC+540 ℃/6 h，AC

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（c） 1 000 ℃/1 h，AC+540 ℃/6 h，AC

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图4 不同固溶温度条件下的光学显微组织

Fig.4 Optical microstructure under different solid solution temperature conditions

（a） 900 ℃/1 h，AC+540 ℃/6 h，AC

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（b） 950 ℃/1 h，AC+540 ℃/6 h，AC

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（c） 1 000 ℃/1 h，AC+540 ℃/6 h，AC

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图5 不同固溶温度条件下的SEM组织形貌

Fig.5 SEM microstructure under different solid solution temperature conditions

图6 不同热处理制度下α片层厚度分布

Fig.6 Layer thickness distribution under different heat treatment regimes

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2.3 不同冷却速度下LAHAM Ti-6Al-4V合金组织

图7、图8分别为LAHAM Ti-6Al-4V合金在950 ℃固溶1 h后炉冷、空冷和水冷至室温，然后再540 ℃时效6 h后空冷至室温条件下的光学显微组织和SEM电镜组织。由图可知，随着冷却速度的加快，微观组织发生了明显变化，原始α板条组织的宽度逐渐减小，长径比逐渐增大。如图7a所示，由于炉冷时冷却速度较慢，在冷却过程中原子有充分的时间进行扩散，这为次生α相的形核、长大以及合并提供了有利条件，因此炉冷条件下的晶粒尺寸明显大于空冷和水冷条件下的晶粒尺寸，且在较慢冷却速度条件下部分α板条发生球化现象（见图8a）。如图7b所示，空冷条件下得到典型的网篮组织，高温β相在适当的冷却速度下转变成了次生α相和β相，α板条宽度较炉冷条件下减小，相邻α板条取向不同，交错排列（见图8b）。如图7c所示，水冷条件下α板条厚度明显小于炉冷和空冷条件下得到的α板条厚度；从图8c中还可以发现长径比较大呈针状的马氏体 $α^{'}$ 相，说明在固溶后水冷过程中，发生了马氏体转变，由于冷却速度较快，原子没有充分的时间扩散，高温β相在较快的冷却条件下生成了马氏体 $α^{'}$ 相，亚稳态的畸变的马氏体 $α^{'}$ 相将对钛合金的力学性能产生显著的影响。可以看出随着冷却速度的加快，α片层厚度减小，将对试样的力学性能产生影响。

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图7 不同冷却速度条件下的光学显微组织

Fig.7 Optical microstructure under different cooling rate conditions

（a）950 ℃/1 h，FC+540 ℃/6 h，AC 　（b）950 ℃/1 h，AC+540 ℃/6 h，AC （c）950 ℃/1 h，WC+540 ℃/6 h，AC

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图8 不同冷却速度条件下的SEM组织形貌

Fig.8 SEM microstructure under different cooling rate conditions

（a）950 ℃/1 h，FC+540 ℃/6 h，AC （b） 950 ℃/1h， AC+540 ℃/6h， AC （c）950 ℃/1h， WC+540 ℃/6h， AC

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2.4 力学性能

2.4.1 沉积态下LAHAM Ti-6Al-4V合金性能

合金显微组织决定了其性能，而热处理则是控制合金组织的有效手段。通过热处理调控可以获得具有各种优异性能的材料，实现对材料力学性能的优化^［

6］。沉积态下LAHAM Ti-6Al-4V合金中下层金属经历多次热循环，晶粒较为粗大，组织较为淬硬，其平均抗拉强度为1 100 MPa，平均冲击韧性为15.48 J/cm²，平均硬度值为360±25.3 HV。

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2.4.2 不同固溶温度下LAHAM Ti-6Al-4V合金性能

（1）室温拉伸性能。

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LAHAM Ti-6Al-4V合金在经过不同固溶温度后的室温拉伸性能如图9所示。由图9可以看出，LAHAM Ti-6Al-4V合金沉积态下具有较高的抗拉强度和较低的塑性，经固溶时效处理后试样的塑性有所提高。当固溶温度从900 ℃上升到950 ℃，合金强度提高，但固溶温度从950 ℃上升到1 000 ℃时，其强度反而下降。

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图9 LAHAM Ti-6Al-4V合金在900 ℃、950 ℃和1 000 ℃固溶后拉伸性能

Fig.9 Tensile Properties of LAHAM Ti-6Al-4V Alloy after Solid Solution at 900 ℃， 950 ℃， and 1 000 ℃

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文献［

7］显示，α板条的长径比是影响Ti-6Al-4V合金抗拉强度变化的主要因素。当固溶温度在β相变点以下升高时，随着温度的升高，α板条的长径比不断降低，具有相同趋向的α相和β相相间排列的团簇就越小，相应的团簇数量就越多，致使整个组织状态越混乱，从而使裂纹在扩展中易受到阻碍，抗拉强度升高。当固溶温度上升到1 000 ℃时，由于α相在β晶界析出长大，破坏了β晶界，使得β晶界不再连续，其边界位阻的作用降低，且1 000 ℃组织明显粗化，导致抗拉强度和塑性降低。

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裂纹拓展抗力和裂纹形核抗力是影响材料塑性的主要方面，而裂纹形核抗力又取决于α板条的尺寸。高温β相转变的α相属于软区，变形会优先在这里形成，长径比较大的α板条会对塑性产生不利影响。且在变形过程中，滑移首先在个别位向因子最大的α晶粒内开动，单位面积内α相尺寸越小数量越多，变形能很快地分散到许多晶粒中去，而不至于在个别晶粒中引起应力集中而开裂。当固溶处理温度为1 000 ℃时，α晶粒明显粗化长大，从而降低了试样的塑性。因此，当固溶温度为950 ℃时，试样组织的强度和塑性达到了较好的匹配。

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（2）室温冲击韧性。

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图10为LAHAM Ti-6Al-4V合金在不同固溶温度下条件下的室温冲击韧性，相应的冲击断口SEM形貌如图11所示。在冲击试验中试样断裂吸收的能量包括裂纹开动和裂纹扩展两种能量，冲击韧性越大，冲击吸收能力越高，所以材料的冲击韧性也主要对应抵抗裂纹产生和扩展的能力^［

8］。由图10可知，经固溶时效处理后的LAHAM Ti-6Al-4V合金的冲击韧性明显提高，这是因为经固溶时效处理后的LAHAM Ti-6Al-4V合金中粗大的魏氏组织转变为相互交错的网篮组织，相邻α晶粒的取向角度差异越大，裂纹在扩展过程中受到的位错阻碍越大，试样冲击韧性越高。随着固溶温度的升高，冲击韧性先上升后下降。这是因为当固溶温度从900 ℃上升到950 ℃时，高温β相转变的细小次生α相数量增多，这些数量众多且细小的次生α相增加了裂纹拓展的阻碍，从而提高了试样的冲击韧性。而当固溶温度上升到1 000 ℃时，试样组织粗化明显，冲击韧性明显降低。

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图10 LAHAM Ti-6Al-4V合金在900 ℃、950 ℃和1 000 ℃固溶后冲击韧性

Fig.10 Impact Toughness of LAHAM Ti-6Al-4V Alloy after Solid Solution at 900 ℃， 950 ℃，1 000 ℃

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图11 LAHAM Ti-6Al-4V合金在不同固溶温度下冲击断口SEM形貌

Fig.11 SEM morphology of impact fracture surface of LAHAM Ti-6Al-4V Alloy at different solid solution temperatures

（a）900 ℃ （b）950 ℃ 　　（c）1 000 ℃

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（3）硬度。

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经固溶时效处理后的LAHAM Ti-6Al-4V合金试样硬度降低，且硬度值分布更加均匀。这是因为经固溶时效处理后，LAHAM Ti-6Al-4V合金试样的主要组织为交错分布的网篮组织，相比于沉积态的魏氏组织，网篮组织更加均匀，且淬硬程度更低。且随着固溶温度的升高，LAHAM Ti-6Al-4V合金硬度不断下降^［

9］，这是因为当固溶温度从900 ℃上升到950 ℃时，LAHAM Ti-6Al-4V合金组织中较为淬硬的马氏体

α'

相分解更加完全，从而使得试样的硬度下降。而当固溶温度升高到1 000 ℃时，α板条尺寸较为粗大，相邻晶粒间距也增加，组织滑移时的阻碍变小，硬度降低。

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2.4.3 不同固溶冷却速率下LAHAM Ti-6Al-4V合金性能

（1）室温拉伸性能。

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LAHAM Ti-6Al-4V合金在不同冷却速度下的室温拉伸性能如图12所示，随着冷却速度的加快，试样抗拉强度一直上升，塑性则先上升后下降。在950 ℃固溶1 h后空冷加时效得到的组织塑性最佳。炉冷条件下得到的晶粒组织最为粗大。晶粒尺寸越大，晶粒中可以开动的滑移系就越多，因此试样的塑性得到提升，但当晶粒的尺寸过大时，组织应对变形的协调能力就会下降，塑性也因此会下降。受以上两个因素共同的影响，炉冷条件下的组织塑性要优于水冷条件下的组织塑性，但要低于空冷条件下的组织塑性。

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图12 在FC、AC和WC条件下LAHAM Ti-6Al-4V合金的拉伸性能

Fig.12 Tensile properties of LAHAM Ti-6Al-4V Alloy under FC， AC， and WC conditions

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当体积相同时，晶粒的尺寸越大，晶粒的边界越少，而晶界可以阻碍滑移，因此晶粒越大，晶界越少，对强度的影响越不利，使得在炉冷条件下获得的粗大晶粒组织具有较差的强度。从图12可以看出，水冷条件下得到的组织中有很多马氏体，马氏体中包含许多位错和孪晶。位错对滑移有着很强的钉扎作用，且水冷后的组织经时效处理后会发生时效强化效应，从而导致水冷后的试样具有较高的强度，且塑性较差。空冷条件下获得的α板条组织尺寸明显小于炉冷条件下获得的组织。较小的晶粒尺寸使得对抗变形的协调能力升高，所以空冷条件下获得的组织强度和塑性要优于炉冷条件下获得的组织。因此在空冷条件下获得的组织具有较好的强塑性匹配。

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（2）室温冲击韧性。

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图13为LAHAM Ti-6Al-4V合金固溶后不同冷却速度下的室温冲击韧性，相应的冲击断口SEM形貌如图14所示。由图13可知，随着冷却速度的增加，试样的冲击韧性先增加后降低，其中水冷条件下获得的组织冲击韧性最差。水冷条件下的断口存在许多脆性断裂的撕裂棱角和解理台阶（见图14c），这表明水冷条件下获得的组织具有较差的冲击韧性。而在炉冷（见图14a）和空冷（见图14b）条件下的断口存在许多大小不一的韧窝，这与空冷和水冷组织具有较好的韧性相符合。从微观组织的角度出发，相关文献表明^［

11］，双相钛合金在断裂的过程中，α相是裂纹产生和扩展的通道，材料的韧性随着α相内部的平均自由程的增加而提高。α相内部的平均自由程计算公式如式（1）所示：

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图13 在FC、AC和WC条件下LAHAM Ti-6Al-4V合金的冲击韧性

Fig.13 Impact toughness of LAHAM Ti-6Al-4V Alloy under FC， AC， and WC conditions

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图14 LAHAM Ti-6Al-4V合金在不同冷却速度下冲击断口SEM形貌

Fig.14 SEM morphology of impact fracture surface of LAHAM Ti-6Al-4V Alloy at different cooling rates

（a）FC　　　　　　　　　　　　（b）AC　　　　　　　　　　　　（c）WC

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L_{m} = \frac{4 T_{0}}{3 f} (1 - f)

（1）

式中　 $L_{m}$ 为α相内部平均自由程， $T_{0}$ 为α相的厚度， $f$ 为α相的含量。

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从图5、图6可知，水冷条件下获得的组织α板条的厚度最小，且组织中还存在大量塑性较差的马氏体 $α'$ 相，这导致水冷条件下材料的冲击韧性最差。相对于水冷条件，炉冷条件下材料的冲击韧性有所提升，但仍低于空冷条件。主要原因是：炉冷条件下获得的组织晶粒尺寸较大，由式（1）可知，较大的片层厚度有助于提高冲击韧性；然而，较大的晶粒尺寸抵抗变形的协调能力也较差，因此炉冷条件下所获得的组织冲击韧性处于中间位置。在空冷条件下，α相和β相呈现较小尺寸且交错排列，而β晶界能够有效阻碍裂纹的扩展，因此空冷条件下材料中裂纹的扩展路径受到众多交错β晶界的阻碍，使得该条件下材料展现出较好的冲击韧性。

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（3）硬度。

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图15为LAHAM Ti-6Al-4V合金固溶后不同冷却速度下的硬度，由图可知，随着冷却速率的增加，合金的硬度逐渐升高，在炉冷条件下所获的组织晶粒较为粗大，晶粒间的间隙较宽，晶粒滑动的自由程较大，所以硬度较低。空冷条件下，晶粒尺寸小于炉冷条件下的，单位体积内晶粒数量增多，滑动自由程减小，硬度上升。水冷条件下，由于发生了马氏体转变，马氏体相中位错密度较高，对滑移有显著的钉扎效应，使得水冷条件下的合金硬度达到最高。

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图15 在FC、AC和WC条件下LAHAM Ti-6Al-4V合金的硬度

Fig.15 Hardness of LAHAM Ti-6Al-4V Alloy under FC， AC， and WC conditions

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3 结论

本研究深入探讨了激光-电弧复合增材制造（LAHAM）T制备的Ti-6Al-4V合金热处理过程中的组织演变及其对力学性能的影响。结果表明，热处理工艺参数，特别是固溶温度和冷却速度，对合金的微观组织结构和力学性能具有明显影响。主要结论如下：

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（1）LAHAM Ti-6Al-4V合金的微观组织为平均晶粒宽度为300 μm的β柱状晶粒，沿着沉积方向外延生长，β晶粒中主要是魏氏组织α条和少量针状α组织。

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（2）随着固溶温度的升高，初生α板条宽度增大，α板条的长径比降低，次生α相体积分数增加，促使强度升高，塑性下降，试样冲击韧性提高，硬度下降。当固溶温度升到1 000 ℃时，α板条严重粗化造成了强度和塑性的同时下降，且冲击断口呈现出脆性断裂特征。试样在固溶温度为950 ℃条件下表现出较好的综合力学性能。

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（3）当冷却速度足够慢时，高温β相转变为低温α相。当冷却速度适中时，高温β相转变为板条状的α相和β相。当冷却速度过快时，高温β相发生马氏体转变，生成马氏体 $α^{'}$ 相。随着冷却速度加快，试样的强度和硬度一直上升，塑性和冲击韧性先上升后下降，在水冷条件下的冲击断口呈现出脆性断裂特征。试样经固溶处理后在空冷处理条件下表现出较好的力学性能。

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（4）为了使LAHAM Ti-6Al-4V合金获得较好的综合力学性能，建议使用950 ℃/1 h，AC+540 ℃/6 h，AC的热处理方案。

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参考文献

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摘要

本文研究了不同热处理制度对激光-电弧复合增材制造Ti-6Al-4V合金微观组织及力学性能的影响，借助光学显微镜和扫描电镜分析了热处理参数变化时微观组织的变化，探究了不同固溶温度和冷却速度下试样力学性能变化的原因。结果表明：激光-电弧复合增材制造Ti-6Al-4V合金的微观结构主要由魏氏α板条组织和沿沉积方向从基体向外延生长柱状β晶粒内少量针状α相构成。经固溶时效热处理后组织主要为典型的交错网篮组织，α板条厚度明显降低，试样塑性、韧性提高明显。当固溶时效热处理方案为950 ℃/1 h，AC+540 ℃/6 h，AC时，与沉积态试样相比，晶粒尺寸减小了一半，可获得较好的综合力学性能，建议采用此热处理方案。

Abstract

and the reasons for the changes in mechanical properties of the samples under different solid solution temperatures and cooling rates were explored. The results showed that the microstructure of Ti-6Al-4V alloy fabricated by laser arc composite additive was mainly composed of Widmanstein Flat noodles structure and a small amount of acicular α phase in columnar β grain extending outward from the substrate along the deposition direction. After solution aging heat treatment

the microstructure was mainly a typical interlaced basket structure

the thickness of Flat noodles was significantly reduced

and the plasticity and toughness of the sample were significantly improved. When the solution aging heat treatment scheme was 950 ℃/1 h

AC+540 ℃/6 h

compared with the deposited sample

the grain size was reduced by 2 times and better comprehensive mechanical properties could be obtained. It was recommended to adopt this heat treatment scheme.

关键词

复合增材制造Ti-6Al-4V合金热处理微观组织力学性能

Keywords

composite additive manufacturingTi-6Al-4V alloyheat treatmentmicrostructuremechanical property

references

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