激光增材制造的Ti合金，具有比传统铸造或者压力加工更为优异的力学性能，最具代表性的是具有良好焊接性能的Ti6Al4V，广泛应用于L-PBF过程。而激光熔化和凝固过程中的激冷和激热（10⁴‒10⁶ºC/s），再加上逐层打印过程中的热循环，会引入层级状的针状马氏体（α’-Ti）分布在柱状母相（β-Ti）中，这种各向异性的微观结构，伴随着较差的延展性、疲劳强度和断裂强度，成为增材制造Ti合金亟需解决的问题。研究表明，采用混合的粉末，比如在Ti粉中混入β相稳定元素的粉末，通过激光打印过程中的原位合金化，可以得到高延展性的β-Ti相，改善材料的强度和韧性。然而激光参数和原位合金化的内在关联，以及打印参数对微观结构和力学性能的影响依然未知。

近日，瑞士保罗谢尔研究所（Paul Scherrer Institute）Helena Moens-Van Swygenhoven教授联合英国诺丁汉大学的Marco Simonelli教授、邹志祎研究员和拉夫堡大学的Yau Yau Tse教授课题组报道了在激光粉床熔融制造中采用混合粉末（Ti64+Fe），通过控制激光参数，来调控β和α’相比例制造高强高韧双相Ti-6Al-4V-3Fe合金。相关论文以题为“Microstructural engineering of a dual-phase Ti-Al-V-Fe alloy via in situ alloying during laser powder bed fusion”发表在Additive Manufacturing上。陈铭研究员为第一作者，课题组组长Steven Van Petegem为通讯作者。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.103173

该团队使用Ti64和单质Fe（3wt%）的混合粉末（图1）打印发现，激光能量密度的高低对微观结构和元素分布会产生深远的影响。较低的单位体积能量（VED）输入，能够在样品S1中得到更多的β相（~80%）（图2），而在高能量密度打印的样品S2中β相显著降低，同时Fe元素分布的更为均匀。以β相为主的低能量密度打印的样品S4在拉伸实验中，展现了比增材制造的Ti64合金更高的强度和更好的塑性（图3），虽然比以α’相为主的高能量密度打印的样品S5强度低，但是综合力学性能更为优越。Fe元素的原位合金化既引入了延展性良好的β相和ω硬化相，同时也起到了合金强化的作用。此外，β相会在应力作用下诱发马氏体相变（β→α’），也就是TRIP（transformation induced plasticity）效应，有效提升塑性。

图1. 激光粉床熔融(L-PBF)中的Ti64和Fe的混合粉末。

图4. 激光能量对打印中相变过程的影响：S1到S3能量密度逐步升高。