引用本文：

Meng Wang, Jiaxin Wang, Shufan Xian, Junfeng Zhou, Wei Xu, Jiabao Guo, Qian Wang, Xin Lin, Weidong Huang, Accelerated martensite decomposition in additively manufactured TA15 titanium alloy under thermal cycling, Journal of Materials Science & Technology (2025), doi: https://doi.org/10.1016/j.jmst.2025.04.079.

研究背景

鈦合金因其出色的高比強度、比剛度和優(yōu)異的耐腐蝕性能而獲得廣泛應用。然而，在復雜薄壁結構件或空心構件的制造領域，傳統(tǒng)成形技術受限于高昂的制造成本和較差的成形質量，難以滿足對高性能復雜鈦合金結構件高效生產的需求。近年來快速發(fā)展的金屬增材制造（AM）技術，特別是激光粉末床熔融（L-PBF）技術，為高效加工復雜鈦合金結構件提供了新的解決方案。

基于L-PBF技術固有的高冷卻速率特征，初生β晶粒內通常形成大量α¢馬氏體相，并伴隨β相在α¢馬氏體相界的偏聚。這種顯微組織特征通常導致構件力學性能的劣化。因此，往往需通過后續(xù)熱處理工藝調控其相變行為，以實現材料性能的優(yōu)化。

近期研究嘗試通過調控L-PBF工藝過程中的熱積累，誘導α¢馬氏體完全分解為細小的層片狀(α+β)組織，有助于增材制造鈦合金的強塑性協同提升。盡管這些研究成功將馬氏體分解所需時間從數小時大幅縮短至數十秒，實現了快速分解，但其微觀組織演變機制，尤其是快速分解的內在驅動力與路徑選擇仍不甚明晰，這阻礙了馬氏體分解過程的優(yōu)化調控，嚴重制約L-PBF成形鈦合金性能潛力的充分挖掘。

成果簡介

針對上述關鍵科學問題與挑戰(zhàn)，西北工業(yè)大學材料學院黃衛(wèi)東/林鑫教授團隊利用西安鉑力特增材技術股份有限公司生產的BLT- S510設備制備馬氏體含量可控的LPBF-TA15試樣，創(chuàng)新性地設計并搭建鈦合金激光掃描熱處理裝置（獲授權國家發(fā)明專利ZL202210269442.0），利用該裝置在LPBF-TA15成形試樣表面構建接近真實L-PBF熱歷史的循環(huán)熱場，突破傳統(tǒng)等溫熱處理或單一熱處理工藝調控的局限，實現L-PBF動態(tài)熱循環(huán)效應的可靠復現與定量調控，為揭示熱循環(huán)條件下相變動力學機制提供了關鍵實驗平臺。

通過對熱循環(huán)區(qū)域開展多尺度關聯表征并耦合高精度熱-相變耦合模擬，本研究取得兩項突破性發(fā)現：

1.分解機制的新理解：首次證實馬氏體快速分解（< 200秒）的核心驅動力并非傳統(tǒng)等溫處理中β穩(wěn)定元素從馬氏體相內向相界擴散，而是源于馬氏體相內部的β穩(wěn)定元素（如Mo, V）在納米尺度上的偏聚，誘發(fā)納米尺度β相在馬氏體內析出；

2.分解行為的再認識：這些彌散分布的β相形成貫穿馬氏體高效的“擴散通道”，使元素擴散距離大大縮短，擴散時間較傳統(tǒng)等溫熱處理降低1-2個數量級，從而實現馬氏體由內而外的快速分割，可有效加速a相的細化和圓整化。

這些突破性發(fā)現為理解L-PBF鈦合金在熱循環(huán)作用下的相變動力學提供了全新視角，并為通過原位工藝調控實現增材制造鈦合金強塑性協同提升奠定了重要的科學基礎。

該項研究成果以“Accelerated martensite decomposition in additively manufactured TA15 titanium alloy under thermal cycling”為題，發(fā)表于材料科學領域頂級期刊《Journal of Materials Science & Technology》。西北工業(yè)大學王猛教授為該論文的第一作者，碩士研究生周峻鋒、咸舒凡、王嘉鑫，博士研究生王前、郭家寶參與研究工作，該項工作還與畢業(yè)于西北工業(yè)大學材料學院、現就職于澳大利亞 Deakin University 的徐嵬博士合作。研究工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃以及陜西省“雙鏈融合”項目的大力支持。

圖文導讀

所使用的激光器掃描熱處理裝置包括激光掃描系統(tǒng)和數據采集系統(tǒng)，如圖 1(a)所示。將BLT- S510設備制備的LPBF-TA15全馬氏體試樣放置在基板上，試樣側面焊接Omega GG-K30型熱電偶以測量激光掃描過程中的溫度，數據采集點的位置如圖 1(b)所示。微觀結構表征的取樣位置如圖 1(c)所示。

圖1 裝置及取樣位置示意圖 (a) 激光掃描實驗裝置; (b) 熱電偶測量位置; (c) 取樣位置

利用上述裝置在鈦合金試樣不同深度處獲得了馬氏體分解路徑和程度各異的組織狀態(tài)。距離激光掃描面0 mm處（圖 2(a-1)），在高能激光束的作用下形成了平行排列粗大的魏氏集束，在α板條的間隙中存在交錯排列的網籃組織；距離激光掃描面1-1.5 mm 區(qū)域（圖 2(b-1)-(c-1)）的組織表現為晶內網籃組織和晶界魏氏集束。距離激光掃描面2.0 mm處（圖 2(d-1)），有較多區(qū)域出現了α相圓整化現象。隨著深度繼續(xù)增加（圖 2(e-1)-(f-1)），α相的熟化和球化程度隨深度增加而減小，α¢馬氏體分解程度下降。

圖2 激光掃描試樣不同深度處的熱歷史曲線及微觀組織 (a)~(f)為熱歷史曲線; (a-1) 0 mm; (b-1) 1.0 mm; (c-1) 1.5 mm; (d-1) 2.0 mm; (e-1) 2.5 mm; (f-1) 4.0 mm;

(d-2)-(f-2)分別對應(d-1)-(d-2)的放大圖

圖 3 展示了試樣通過在α¢馬氏體內生成β穩(wěn)定元素富集區(qū)實現馬氏體快速分解的過程。當α¢馬氏體被迅速加熱到單相區(qū)，并在β_tr點附近受到熱循環(huán)效應的影響時，在大尺寸α¢/α板條的內部，觀察到大量與板條朝向垂直的明亮條紋，如圖 3(b)所示。猜測這是α¢馬氏體內部誘導形成的β穩(wěn)定元素“擴散通道”，β穩(wěn)定元素通過擴散通道向板條邊界擴散，α¢馬氏體逐漸向α相轉變。同時觀察到α¢/α板條末端形成向內部延伸的細長β相，通過吸收通道中的β穩(wěn)定元素繼續(xù)生長，如圖 3(c)所示；當長條狀β相貫穿并分割α¢/α板條時，板條內部的明亮條紋結構幾乎消失，大尺寸α¢/α板條完全分解，達到圖 3(d)的狀態(tài)。

圖3試樣通過在α¢內部生成的β相團簇實現馬氏體快速分解的過程

(a) 試樣微觀組織; (b)~(d)分別對應圖3(a)的區(qū)域1~3

上述分析結果表明，α¢/α板條內部出現的明亮條紋在馬氏體快速分解行為中發(fā)揮重要的作用。對該區(qū)域的組織進行透射表征，結果如圖 4所示。在STEM-HAADF成像模式下，觀察到了高對比度帶狀結構，進一步根據EDXS的結果，發(fā)現寬度約為56 nm的帶狀結構內有明顯的元素偏析，β 穩(wěn)定元素V、Mo 和Fe富集于帶狀結構中，說明STEM-HAADF成像模式下觀察到的帶狀結構，與背散射電子模式下β穩(wěn)定元素偏聚的明亮條紋對應。

圖4 富集b穩(wěn)定元素的亮紋處TEM及EDXS結果

據此建立了如圖 5所示的熱循環(huán)效應下馬氏體快速分解模型：當α¢馬氏體經歷峰值溫度接近β相轉變點的循環(huán)溫度曲線時，在頻繁且短促的峰值溫度附近，α¢馬氏體內部β穩(wěn)定元素富集并形成垂直與邊界的擴散通道；后續(xù)的演化過程中，α¢/α板條內形成貫穿性的長條β相，吸收α¢/α板條內部的條紋結構中的β穩(wěn)定元素，實現α¢馬氏體的快速分解，并促成α相的細化和圓整化。

圖5 熱循環(huán)效應加速馬氏體分解示意圖

通訊作者簡介

王猛

西北工業(yè)大學材料學院教授，博士生導師。長期在西北工業(yè)大學凝固技術全國重點實驗室和金屬高性能增材制造與創(chuàng)新設計工業(yè)和信息化部重點實驗室從事金屬凝固及金屬增材制造技術的教學與科研工作。主持國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、企業(yè)協作等多項科研項目，在Additive Manufacturing、Journal of Materials Science & Technology等知名期刊發(fā)表論文一百五十余篇，參編教材及著作5項，獲授權中國發(fā)明專利9項，其中“成分及組織可控的激光立體成形方法”獲中國發(fā)明專利獎優(yōu)秀獎，并作為核心專利技術在西安鉑力特增材技術股份有限公司實現成果轉化。