摘要：Ti60（Ti-5.7Al-4.0Sn-3.5Zr-0.4Mo-0.4Si-0.4Nb-1.0Ta-0.05C）具有优异的高温稳定性（>600℃），是航空航天发动机的潜在材料。传统激光定向能量沉积（LDED）技术存在柱状晶粒生长、残余应力及各向异性问题，导致力
主要作者：Yuxiang Ai, Xin Lin（林鑫）*
第一单位：西北工业大学
发表期刊：Materials & Design
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.matdes.2025.113768
1.近α钛合金Ti60的应用挑战
Ti60（Ti-5.7Al-4.0Sn-3.5Zr-0.4Mo-0.4Si-0.4Nb-1.0Ta-0.05C）具有优异的高温稳定性（>600℃），是航空航天发动机的潜在材料。传统激光定向能量沉积（LDED）技术存在柱状晶粒生长、残余应力及各向异性问题，导致力学性能不足。Fig.1 Schematic diagram of the UALDED device
2.超声辅助增材制造的潜力
超声通过空化效应和声流效应可细化晶粒，已在Ti6Al4V、Inconel等材料中验证有效性，但可能引发熔池不稳定和缺陷。现有研究未涉及超声对近α钛合金Ti60的微观组织与性能调控机制。Fig.2 Morphology of Ti60 single tracks with vibration amplitude ranging from 0 to 9 μm
1.实验装置设计
自主设计圆柱形超声变幅杆基板，通过COMSOL模拟优化共振状态，实测振幅误差采用YAG激光器（功率700W，扫描速度10mm/s）配合超声振动（0-9μm振幅）进行多层沉积。Fig.3 Morphology of the molten pool captured using in situ high-speed imagining, without (a) and with 6 μm (b) ultrasonic vibration.
2.材料与表征
原料：等离子旋转电极法制备的Ti60球形粉末（53-150μm）。表征手段：单道形貌分析（OM）、β晶粒重构（EBSD）、α板条宽度测量（SEM）、硅化物析出观察（TEM）、室温拉伸测试（ASTM E8M-09标准）。Fig.4 Evolution of the prior-β grains of the samples
1.超声对熔池形貌的影响
振幅≥3μm时，熔池宽度减小、深度增加（深宽比从0.17升至1.07），尾部出现深孔和表面不连续（鱼鳞纹）。高速成像显示超声导致熔池流动不稳定，熔融金属反向堆积。Fig.5 The pole figures of the α phase {0001}α
2.β晶粒演变
无超声时：柱状晶沿构建方向外延生长（平均尺寸>500μm），{001}β晶面织构显著（MUD=18.20）。6μm超声时：柱状晶向等轴晶转变（CET），平均晶粒尺寸62.82μm，织构强度降低（MUD=4.17）。机制：空化效应破碎枝晶，声流效应促进核均匀分布，热积累降低温度梯度。Fig.6 Evolution of α laths without ultrasound
3.α板条与析出相
α板条宽度随超声强度增加：无超声时0.67-1.25μm，6μm超声时1.28-2.30μm（热效应延长高温停留时间）。硅化物（(Ti,Zr)₆Si₃）在β相边界均匀析出（尺寸~50nm），超声加速Si原子扩散；有序α₂相（Ti₃Al）分布不受超声影响。Fig.7 (a) The precipitation behavior of silicides；(b) The precipitation behavior of ordered α2 phase
4.力学性能
6μm超声样品：延伸率提升67.18%（14.34% vs 8.58%），强度略有下降（UTS 1060.2MPa，YS 943.5MPa），达到锻造标准（UTS>1020MPa，YS>955MPa）。断裂机制：无超声为沿晶脆性断裂，超声样品为微孔聚集韧性断裂（Schmid因子升高，滑移系激活更多）。Fig.8 Mechanical properties of the samples
结论超声通过空化与声流效应实现β柱状晶向等轴晶转变，晶粒尺寸细化至62.82μm。超声热效应导致α板条粗化，但加速硅化物析出，提升塑性。熔池不稳定性（鱼鳞纹、尾部缺陷）需通过“间歇式超声”策略优化。平衡超声能量密度可协同提升强度与塑性。Fig.9 Tensile fracture morphology of the samples
来源：江苏激光联盟
