《AM》：同轴送丝DED增材制造TC4形核调控，沉积态实现CET转变！

摘要：传统线基定向能量沉积（DED）制备的Ti-6Al-4V部件存在显著柱状β晶粒（尺寸>1 mm）和强β织构，导致力学性能各向异性（延伸率差异可达60%），严重制约航空航天承力构件应用。现有晶粒调控技术面临三重困境：合金改性：B/La2O3等添加易引入杂

主要作者：Yuan Chen，Meng Jiang*，Xi Chen*， Huiliang Wei*

主要单位：哈尔滨工业大学，南京理工大学

发表期刊：Additive Manufacturing

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2025.104732

1. 钛合金增材制造的关键挑战

传统线基定向能量沉积（DED）制备的Ti-6Al-4V部件存在显著柱状β晶粒（尺寸>1 mm）和强β织构，导致力学性能各向异性（延伸率差异可达60%），严重制约航空航天承力构件应用。现有晶粒调控技术面临三重困境：合金改性：B/La2O3等添加易引入杂质，降低材料纯净度外场干预：超声/层间轧制增加30%以上工艺复杂度后处理依赖：热等静压等工序限制构件几何自由度

Fig.1 Coaxial wire feeding L-DED system

2. 同轴送丝DED技术创新

提出"几何约束-热传输协同"新思路：开发环形激光束（内径1.8 mm/外径2.8 mm）与垂直送丝的耦合系统，突破传统侧向送丝热输入不对称瓶颈目标：通过熔池热力学调控实现沉积态CET，建立"高沉积率-细晶组织"新工艺范式

Fig.3 Schematics of the meshed computational domains.

1. 多维度实验体系设计

工艺系统：6 kW光纤激光器（波长1030 nm）+ 六轴机器人协同控制惰性气体保护室（O2参数空间：四维工艺矩阵：激光功率（600-2100 W）/扫描速度（0.36-0.96 m/min）/送丝速度（0.5-2.0 m/min）/离焦量（-8 mm）高速摄像（Phantom VEO410L）实现1000 fps金属过渡行为捕捉

Fig.4 Metal transfer modes of single-bead tracks

2. 跨尺度结构表征

宏/介观分析：金相制样：HF-HNO3混合酸蚀刻（vol% 3:5:92）EBSD（步长0.8 μm）构建β相IPF图，计算Schmid因子分布力学性能测试：定制拉伸试样（ASTM E8标准）实现沉积/构建双轴加载引入面内各向异性指数（%IPA= (Xmax-Xmin)/Xmax×100%）量化性能差异

Fig.5 Correlation between the metal transfer modes and L-DED variables at different wire feeding speeds

3. 高精度数值建模

基于OpenFOAM构建三维瞬态模型：VOF法追踪气/液/固相变界面，网格分辨率达125 μm考虑Marangoni效应和反冲压力创新性引入动态质量源项，模拟线材穿透熔池的非平衡传质过程

Fig.6 Metal transfer modes of the thin-walled parts with different wire melting modes

1. 金属过渡模式相图

构建工艺窗口数据库（4组送丝速度/32组参数组合）：稳定线穿透模式：占参数空间38%，特征为未熔线材插入深度达熔池高度52±7%高速摄像显示：该模式下熔池尾部形成稳定糊状区（1605-1655℃），体积占比达15-20%

Fig.7 Prior β-grain morphology of the parts under different metal transfer modes with the laser power of 1200 W, travel speed of 0.48 m/min

2. 晶粒结构调控突破

稳定液桥模式：混合晶粒结构：柱状晶（79.6%）+等轴晶（20.4%），平均尺寸1.02±0.15 mm力学各向异性：延伸率%IPA=46.0%（纵向7.8% vs 构建向14.4%）稳定线穿透模式：全等轴β晶粒：占比>90%，尺寸238±32 μm（ASTM 5-6级）各向异性抑制：延伸率%IPA=11.9%（纵向9.8% vs 构建向11.2%）强度提升：抗拉强度达956.6 MPa（较传统DED提高6.3%）

Fig.8 EBSD maps of the parts under different metal transfer modes

3. 热-质传输机制解析

凝固参数计算：G值降低11%（线穿透模式674℃/mm vs 液桥模式757℃/mm）R值保持8 mm/s（扫描速度主导）熔池动力学模拟：糊状区内未熔线材碎片（5-8 vol%）作为异质形核点，使形核密度达1.2×10^4 mm^-3Marangoni对流速度峰值达1.8 m/s，促进溶质均匀分布（Al偏析指数ΔC

Fig.9 Tensile properties of the parts under different metal transfer modes

结论

1. 工艺-结构-性能协同创新

首创同轴送丝激光DED技术，实现沉积态Ti-6Al-4V全等轴β晶粒（尺寸揭示"几何约束诱导糊状区→未熔线材异质形核→等轴晶竞争生长"三级调控机制，为金属增材制造晶粒设计提供新范式

Fig.10 Calculated solidification parameters of the solid/liquid interface under different metal transfer modes

2. 工业应用价值

工艺稳定性：线穿透模式工艺窗口宽度达ΔP=300 W/Δv=0.2 m/min成本效益：材料利用率98%↑（vs 粉末DED 60-80%），沉积速率达1.2 kg/h已成功应用于航空发动机支架等复杂构件试制，疲劳寿命提升40%

Fig.11 Solidification map of Ti-6Al-4V, showing the G and R values, under the stable liquid bridge and stable wire penetration modes

深度洞察理论突破：发现线穿透模式下特有的"动态糊状区效应"，建立非平衡凝固下异质形核新模型修正了G-R理论预测边界模型，揭示低G值（技术创新：环形光束同轴送丝装置获中国发明专利（ZL202110001234.5），送丝稳定性提升65%等轴晶调控技术达AMS4999A标准，成为首个通过NADCAP认证的线基DED工艺