摘要：在航空航天、汽车及生物医学等领域，钛合金应用广泛，但传统铸造 + 模锻工艺存在设备重、切削多、周期长、成本高等弊端。新兴增材制造虽具优势，却因高冷却速率和温度梯度，使钛合金易生粗大晶粒与脆性相，致性能不佳。当前改性方法众多，原位合金化凭借调节相区间、影响凝固过
导读
围绕电弧增材制造钛合金，详述原位合金化方法，分析多种元素影响及机制，总结成果并展望成分设计，助力钛合金制造技术革新。
在航空航天、汽车及生物医学等领域，钛合金应用广泛，但传统铸造 + 模锻工艺存在设备重、切削多、周期长、成本高等弊端。新兴增材制造虽具优势，却因高冷却速率和温度梯度，使钛合金易生粗大晶粒与脆性相，致性能不佳。当前改性方法众多，原位合金化凭借调节相区间、影响凝固过程，成为优化微观结构的关键。
本研究聚焦电弧增材制造，系统梳理涂料、预置箔片、焊丝等原位合金化方法，深入剖析 B、C、Si 等非金属与 Cr、Sn 等金属元素对钛合金组织性能的影响及柱状晶转变机制，并对成分设计予以展望。创新地揭示不同元素作用规律，为高性能钛合金制造提供重要参考，有力推动增材制造技术在钛合金领域的发展。
【研究亮点】
全面系统总结电弧增材制造钛合金的原位合金化方法，涵盖涂料、预置箔片、焊丝法，对比各方法适用元素及控制精度，为工艺选择提供清晰指引。
深入探究非金属与金属合金化元素对钛合金组织性能的影响及柱状晶转变机制，结合微观组织分析与性能测试，从多元素协同角度提出提升性能策略，具重要理论与应用价值。
【文章来源】
天津大学材料科学与工程学院张萌, 王颖, 马宗青, 杨振文等在2024年第44卷第11期《特种铸造及有色合金》期刊上发表了题为“原位合金化调控电弧增材制造钛合金组织与性能研究进展”的文章，作者电弧增材制造过程中固有的高冷却速率和温度梯度使得沉积钛合金产生粗大的初生β柱状晶粒，降低合金的塑性和疲劳性能。采用原位合金化的方法引入高生长限制因子元素改变熔池凝固，促进柱状晶粒发生等轴化转变是提升沉积态钛合金性能有效的方法。总结了电弧增材制造中原位合金化方法，分析了非金属和金属合金化元素对电弧增材制造钛合金组织和性能的影响，以及合金化元素诱导柱状晶发生等轴化的转变机理，最后对电弧增材制造钛合金成分设计提出了展望。
【研究方法】
文献综述与归纳：广泛收集国内外相关研究文献，梳理电弧增材制造钛合金原位合金化的研究现状，系统总结不同合金化方法、元素及影响规律，构建坚实理论基础。
实验研究与分析：针对特定合金化元素，如采用涂料法引入 B、C 元素，预置箔片法引入 Nb 元素，焊丝法引入 Si 元素等开展实验，制备合金试样；运用金相显微镜、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、电子背散射衍射（EBSD）等先进手段观察微观组织，结合拉伸测试等力学性能测试，分析元素对组织性能的影响机制。
【图文解析】
1电弧增材制造（WAAM）钛合金原位合金化方法
由于B元素与Ti具有良好的化学亲和力，可以生成TiB相并形成清晰的界面，因此已被广泛研究。图1为在电弧增材制造Ti-6Al-4V合金中用到的含硼涂料以及涂刷过程。
图1含硼涂料及其涂刷过程
图2含硼涂料的原材料形貌和DSC曲线
当使用纳米碳粉作为碳源进行原位碳合金化时，由于纳米碳粉具有高的比表面积，其在涂料中发生明显团聚，这导致在沉积Ti-6Al-4V合金中纳米碳粉团聚的位置出现孔洞，见图3。
图3原始纳米碳粉和改性纳米碳粉在涂料中的分散与对应沉积合金形貌
图4原始纳米碳粉和改性纳米碳粉的对比
涂料法只适用于B、C等轻质的非金属元素的原位合金化，而当引入高含量的金属元素时，由于金属元素粉末密度大，会在涂料中直接沉降，无法通过涂刷在沉积层表面以及凝固熔池中获得均匀分布，从而影响沉积钛合金的性能。此外，金属元素添加量较高，在每一沉积层所使用的有机物涂料（羟乙基纤维素溶液）的质量也会增加，这将明显增加涂料烘干时间与层间停留时间，还会增加向电弧增材制造钛合金中引入O、H、N等杂质元素的风险。针对这一问题，YANG Z W等首次开发了在沉积层表面预置金属箔片的方法，实现高含量金属元素的原位合金化工艺流程。预置箔片法很好解决了高添加量金属元素的合金化引入问题，但受限于熔池热量有限，金属元素的添加量有限，过多添加则会导致金属箔片无法完全熔化，从而在沉积合金中产生元素富集而影响合金性能。
图5原位Nb合金化电弧增材制造示意图
1.Nb箔2.钛铝双丝3.焊枪4.保护罩进气孔
焊丝法包含两种：一是采用同时送进商用双丝进行元素混合，第二种是直接进行新成分丝材的开发。采用粉芯焊丝进行合金化，元素添加量可以精确控制，合金成分设计自由度高，但是制造难度大，制造周期也相对较长。
图6电弧增材制造Ti-TiB2粉芯焊丝
2原位合金化元素（非金属）对WAAM钛合金组织性能的影响
B具有较大的生长限制因子，还会与Ti发生反应原位合成微/纳尺度的增强相抑制晶粒生长，被认为是钛合金晶粒细化的有效元素。
图7电弧增材制造Ti-6Al-4V钛合金与硼改性Ti-6Al-4V钛合金熔池凝固过程示意图
图8电弧增材制造B改性Ti-6Al-4V钛合金微观组织
图9原位合成的TiB晶须在单个沉积层中的分布
图10沉积Ti-6Al-4V-0.05B钛合金断口形貌
C元素同样是生长限制因子较高的元素之一。
图11添加不同石墨含量的电弧增材制造Ti-6Al-4V合金的宏观形貌
图12纳米碳粉对沉积Ti-6Al-4V合金凝固行为的影响
目前关于通过Si和O元素合金化调控增材制造钛合金的报道相对较少。铸造Ti-Si合金认为Si是可以和B相媲美的生长限制元素，可以细化铸态钛合金晶粒，而且当Si含量超过1.33%时，Si会与Ti反应生成Ti5Si3相充当形核质点。
图13电弧增材制造沉积Ti-6Al-4V和Ti-6Al-4V-0.1Si合金微观组织
在钛合金中，相对于Al元素，O对于α相的强化更明显；对于α相的稳定作用也更强，而且在凝固过程中限制初生β晶粒的生长是Al元素的40倍。然而，这些效应又导致O作为主要的α相稳定剂，在变形过程中O与位错的强烈相互作用使得钛合金发生脆化。
图14激光定向能量沉积Ti-O-Fe合金工艺及微观组织
3 金属元素对电弧增材制造钛合金组织性能的影响
最近的研究表明，在电弧增材制造过程中向钛合金成分中添加特定的金属元素可以显著改善合金的微观结构，从而提高其力学性能。添加Sn颗粒后，在沉积层中仍可以观察到贯穿多个沉积层的粗大β柱状晶。然而，加入Cr粉末后，粗大的β柱状晶粒生长受到抑制，形成了等轴晶粒。而Cr元素的添加在固/液界面前沿产生了成分过冷，沉积钛合金中粗大柱状β晶粒的生长受到限制，并形成了部分等轴晶粒。添加适量的Ni或者Cu元素促进了从初生β柱状晶粒到等轴晶粒的转变，初生β晶粒和α板条明显细化。可见添加Nb元素后，沉积钛合金的α板条得到充分的细化。沉积合金的横向和纵向力学测试结果显示，Ti-6Al合金的横向和纵向拉伸试样抗拉强度接近，塑性都比较低，约为4.2%。而Ti-6Al-7Nb合金横向和纵向抗拉强度分别为910 MPa和875 MPa，对应塑性分别为7.26%和6.21%，沉积合金的强度和塑性协同提高。
图15沉积Ti-6Al合金和Ti-6Al-7Nb合金EBSD图谱
图16Ti-6Al-7Nb合金TEM表征
【主要结论】
明确电弧增材制造钛合金原位合金化的主要方法及适用范围，涂料法适用于低含量非金属元素，预置箔片法和焊丝法利于高含量金属元素添加且控制精准，为工艺应用提供指导。
剖析合金化元素影响规律，β 相稳定元素可协同提升强度与塑性，α 相稳定元素虽强化但塑性易降，异质结构设计与双相元素添加是性能提升新方向，为成分设计奠定基础。
指出当前研究挑战，如数据库构建、理论指导缺失、多元素协同机制不明及综合性能评价缺乏等，为后续研究指明重点与方向。
【本文引用格式】
中文：张萌，王颖，马宗青，等。原位合金化调控电弧增材制造钛合金组织与性能研究进展 [J]. 特种铸造及有色合金，2024，44 (11)：1478 - 1488.
英文：ZHANG M，WANG Y，MA Z Q，et al. Research progress in In - situ alloying tailoring microstructure and mechanical properties of titanium alloys fabricated by WAAM [J]. Special Casting & Nonferrous Alloys，2024，44 (11)：1478 - 1488.
【扩展阅读】
来源：特铸杂志
