45、激光粉末床熔融制备钛合金（Ti6Al4V）热处理对硬度和微观结构的影响

激光粉末床熔融制备钛合金（Ti6Al4V）热处理对硬度和微观结构的影响

1. 引言

在增材制造（AM）方法中，激光粉末床熔融（LPBF）因能打印金属 3D 对象而备受关注。它利用高功率激光照射粉末涂层，逐层构建熔融金属，从而制造出复杂的 3D 产品。在影响 AM 生产的因素中，体积能量密度（VED）是选择性激光稀释过程（SLM）的一个主要因素，它直接影响所构建零件的性质。VED 的计算公式为：$VED (J/mm^3) = \frac{P (W)}{V (mm/s) \times h (\mu m) \times t (\mu m)}$，其中$P$是激光功率（W），$V$是扫描速度（mm/s），$h$是 hatch 间距（μm），$t$是层厚（μm）。与注塑成型和铸造等传统制造方法相比，AM 产生的废料更少。

本研究使用的材料是钛合金（Ti6Al4V），它具有两相结构，具有高耐腐蚀性、高生物相容性和高强度等特性，因此被广泛应用于航空航天、化工、海洋、汽车和生物医学等领域。例如，在骨科领域，Ti6Al4V 因其高强度 - 质量比、良好的生物相容性、优异的耐腐蚀性以及比不锈钢和钴合金更低的弹性模量而得到广泛应用。

Ti6Al4V 有α和β相等几个相，这使其比耐用钢合金具有更高的强度和更多的加工选择。在中低温下，Ti6Al4V 密度低且强度好，在航空航天、汽车和医疗行业应用广泛。如果从加热温度到室温的冷却速度足够快，α + β合金会发生马氏体转变。SLM 制造的 Ti6Al4V 具有针状马氏体主导的微观结构，这种结构产生高强度和低延展性。同时，VED 对 Ti6Al4V 材料的性能也有重要影响，当 VED 过低或过高时，都难以获得较高的相对密度。此外，LPBF 打印过程中会产生残余应力，而热处理可用于减少金属 AM 中的残余应力，改善机械加工性、焊接性、结构稳定性、抗断裂性和温度强度等。

2. 方法

2.1 材料选择

本研究使用的是 23 级钛合金（Ti6Al4V）粉末，其化学成分包括 90%的钛、6%的铝、4%的钒、0.25%的铁和 0.2%的氧。粉末颗粒尺寸范围为 21.69 - 48.84 μm，中位尺寸为 32.70 μm。通过扫描电子显微镜（SEM）观察发现，颗粒呈球形，但表面不太光滑。

2.2 打印过程

使用 RenAM 500E（Renishaw）3D 打印机进行打印，该打印机具备智能气体流量控制、运动学中继器和内置摄像头等功能。打印参数基于 LPBF 中 Ti6Al4V 的默认处理参数构建，默认处理参数记为 P2（69.44 J/mm³）。为了研究热处理对硬度和微观结构的影响，对所有样品的 VED 进行了变化，分别选择较低和较高的 VED 作为 P1（51.28 J/mm³）和 P3（90.91 J/mm³）。具体的加工参数如下表所示：
| 样品 | 激光功率 (W) | 层高度 (μm) | 扫描速度 (mm/s) | 孵化距离 (μm) | 体积能量密度 (J/mm³) |
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
| P1 | 200 | 0.4 | 1500 | 0.65 | 51.28 |
| P2 | 200 | 0.4 | 1200 | 0.60 | 69.44 |
| P3 | 200 | 0.4 | 1000 | 0.55 | 90.91 |

2.3 热处理选择

热处理是一种可以改善 3D 产品性能（主要是机械性能）的后处理工艺，在热处理过程中，储存的残余应力将被释放。本研究选择退火作为热处理方法，其加热曲线如图 2 所示。

2.4 样品设计

选择立方设计且构建方向为 0°的样品，因为这种设计具有各向同性的特性，即无论上表面还是核心表面，硬度和微观结构几乎相似。

graph LR
    A[开始] --> B[选择 Ti6Al4V 粉末]
    B --> C[使用 RenAM 500E 3D 打印机打印]
    C --> D{选择 VED}
    D -->|P1| E1[打印 P1 样品]
    D -->|P2| E2[打印 P2 样品]
    D -->|P3| E3[打印 P3 样品]
    E1 --> F[进行退火处理]
    E2 --> F
    E3 --> F
    F --> G[分析硬度和微观结构]
    G --> H[结束]

3. 结果与讨论

3.1 热处理对硬度的影响

根据表 2 中的数据，Ti6Al4V 未处理样品（即未进行热处理的样品）的硬度值高于热处理后的样品。在本研究中，P3A 样品的硬度值最高，但经过热处理后硬度下降最为明显，P3HT 的硬度相较于 P3A 降低了 20%。相反，P1A 的硬度最低，为 379.63HV，而 P1HT 的硬度为 317.95HV。P2 样品也呈现出类似的趋势，即热处理后硬度降低。

从 VED 的角度来看，随着 VED 的增加，未处理样品的硬度也随之增加。这是因为随着 VED 从 51.28 J/mm³（P1）增加到 90.91 J/mm³（P3），马氏体α相的硬化程度增强。然而，热处理后形成的针状α’相降低了硬度，但提高了热处理样品的刚度和强度。

本研究的结果与某些研究不同，在那些研究中，热处理后的样品硬度高于未处理样品。这种差异可能是由于本研究中使用的 VED 不同，以及其他研究中使用的是不同等级的合金（如 Ti6Al4V 5 级）和较高的热处理温度。不过，本研究的结果与另一些研究相似，即在 800 - 900 °C 进行热处理时，硬度会降低；而当采用更高的加热温度（> 900 °C）时，硬度会增加并达到最大值。因此，为了获得热处理样品的最佳效果，应在更高温度（> 935 °C）下进行热处理。

读数	未处理（无热处理）			热处理（有热处理）
	P1A	P2A	P3A	P1HT	P2HT	P3HT
1	358.70	351.80	420.30	306.50	301.10	321.30
2	360.50	355.60	404.60	312.60	310.40	328.20
3	379.40	367.70	407.20	317.30	316.50	334.40
4	386.70	370.90	413.70	317.15	327.00	338.80
5	395.20	385.20	423.10	317.60	327.80	339.20
6	397.30	409.40	435.20	336.40	330.90	340.50
平均值	379.63	380.21	417.35	317.95	321.56	333.73
标准差	± 16.79	± 21.25	± 11.31	± 10.01	± 11.69	± 7.58

3.2 热处理对微观结构的影响

在微观结构分析中发现，当在 935 °C 下进行 8 小时的热处理时，α + β相的微观结构与相 - 相预测结果相似。图 4 展示了所有样品（P1、P2 和 P3）在未处理（A，即未进行热处理）和热处理（HT，即进行了热处理）状态下的对比。可以看出，热处理后发生了从α相到α + β相的转变，并且对于未处理样品（P1A、P2A 和 P3A），随着 VED 的增加，针状α’相增多。

在热处理样品中可以观察到β相（较暗区域），而未处理样品中主要是α’和α相。不同样品中α + β相的比例不同，β相比例显著的样品强度更高；相反，α相（较亮区域）含量较高的样品则更软。例如，在图 4 的 P1A 中，标记圆圈处可以看到短而粗的针状线条，而 P3A 则显示出长而光滑的针状线条。长而细的针状α相的存在增强了硬度，使样品更强；而短而粗的针状线条则表明样品较软。

在微观结构分析中还发现，热处理促使在α相边界处形成β相，并且β相的形成量高于α相。这是由于α相转变为马氏体α相，在较高的热处理温度下这种转变更为明显。随着 VED 的增加，原始的α’相完全分解为马氏体α相和β相层，LPBF 马氏体α的初始结构急剧转变为嵌入β相边界区域的细长α细节。热处理还导致α片层相蒸发，在边界区域形成球状结构。

从加工参数的角度来看，较高的 VED 会导致更高的显微硬度。这是因为在 LPBF 打印过程中使用较高的 VED 时，晶粒会得到更好的细化，α’马氏体的宽度和间距减小，从而提高了硬度值。然而，需要注意的是，VED 是四个主要加工参数（激光功率、扫描速度、层厚和 hatch 间距）之间关系的总和，因此这四个主要加工参数之间的合适关联对于获得所需的机械性能（如硬度）至关重要。

综上所述，本研究成功地探讨了热处理对 Ti6Al4V 合金硬度和微观结构的影响。研究结果表明，通过合理控制 VED 和热处理工艺，可以优化 Ti6Al4V 合金的性能，为其在汽车和生物植入物等领域的应用提供了有价值的参考。未来的研究可以进一步探索不同热处理工艺和 VED 组合对 Ti6Al4V 合金性能的影响，以实现更精确的性能调控。

4. 结论

通过一系列实验和分析，成功探究了热处理对钛合金（Ti6Al4V）硬度和微观结构的影响，并对未处理和热处理样品进行了对比。

4.1 硬度方面

• VED 与未处理样品硬度关系 ：随着体积能量密度（VED）的增加，未处理样品的硬度升高。这是因为 VED 的增加促使马氏体相硬化，从而提高了硬度。例如，从 P1（51.28 J/mm³）到 P3（90.91 J/mm³），未处理样品的硬度明显上升。
• 未处理与热处理样品硬度对比 ：未处理样品的硬度高于热处理样品。热处理后，由于残余应力的去除，硬度最多可降低 20%。以 P3 样品为例，P3A 硬度为 417.35HV，而 P3HT 硬度降至 333.73HV。

4.2 微观结构方面

• VED 对未处理样品微观结构的影响 ：随着 VED 增加，会形成更多长而细的针状α’相，α片层相变得更细。如 P3A 相较于 P1A，针状α’相更长更细。
• 热处理后的微观结构变化 ：热处理后形成了α + β相，这种相结构提升了样品的刚度和强度。在较高的热处理温度下，α相转变为马氏体α相，β相在α相边界形成且形成量更多。

这些研究结果表明，经过热处理形成的α + β相结构改善了样品的刚度和强度，使得热处理后的 Ti6Al4V 合金可能适用于汽车和生物植入物等领域。例如，在汽车制造中，需要材料具有较高的强度和刚度以保证部件的性能；在生物植入物领域，材料的生物相容性和合适的机械性能是关键，Ti6Al4V 合金的这些特性使其具有潜在的应用价值。

4.3 未来展望

虽然本研究取得了一定的成果，但仍有进一步探索的空间。未来可以考虑以下研究方向：
- 不同热处理工艺的研究 ：尝试更多种类的热处理工艺，如淬火、回火等，以及不同的热处理参数组合，以找到最适合 Ti6Al4V 合金的热处理方案，进一步优化其性能。
- VED 与其他性能的关联研究 ：除了硬度和微观结构，还可以研究 VED 对 Ti6Al4V 合金其他性能的影响，如韧性、疲劳性能等，从而更全面地了解 VED 对材料性能的调控作用。
- 实际应用的模拟研究 ：在实验室研究的基础上，进行实际应用场景的模拟实验，验证 Ti6Al4V 合金在汽车和生物植入物等领域的可行性和可靠性，为其实际应用提供更坚实的依据。

graph LR
    A[研究结论] --> B[硬度变化]
    A --> C[微观结构变化]
    B --> B1[VED 增加未处理样品硬度升高]
    B --> B2[未处理样品硬度高于热处理样品]
    C --> C1[VED 增加未处理样品针状 α' 相增多]
    C --> C2[热处理形成 α + β 相提升性能]
    D[未来展望] --> D1[研究不同热处理工艺]
    D --> D2[探索 VED 与其他性能关联]
    D --> D3[进行实际应用模拟研究]

以下是对本研究关键信息的总结表格：
| 研究方面 | 具体内容 |
| ---- | ---- |
| 硬度 | - VED 增加，未处理样品硬度升高
- 未处理样品硬度高于热处理样品，热处理后硬度最多降 20% |
| 微观结构 | - VED 增加，未处理样品针状 α’ 相增多
- 热处理形成 α + β 相，提升刚度和强度 |
| 应用前景 | 适用于汽车和生物植入物等领域 |
| 未来展望 | - 研究不同热处理工艺
- 探索 VED 与其他性能关联
- 进行实际应用模拟研究 |

综上所述，本研究为 Ti6Al4V 合金的性能优化和实际应用提供了有价值的参考，未来的进一步研究有望推动该合金在更多领域的广泛应用。