激光粉末床熔融（L-PBF）被認為是最有前景的增材制造技術之一，主要利用高能激光束沿激光路徑在保護氣氛中使金屬粉末在熱的作用下快速熔化、快速凝固。因此，激光粉末床熔融（L-PBF）制造Ti-6Al-4V合金通常由初生柱狀β晶粒和內部針狀α′馬氏體組成，這導致高強度、低塑性的特點。目前普遍采用后處理、合金成分設計、實時軋制、實時超聲處理等手段，無接觸調節金屬增材制造過程方法也同樣得到了廣泛關注。

上海大學任忠鳴、王江教授團隊長期從事電磁場下材料制備的基礎與應用研究，創新性提出磁場下激光增材制造技術（鑄造技術, 2022. 43(08): 585-599.）。利用實時外加靜磁場調控激光定向能量沉積L-DED成形Ti6Al4V合金微觀組織，實現了組織、織構和晶粒尺寸變化，最終在不損失塑性的前提下顯著提高了L-DED增材制造Ti6Al4V鈦合金的塑性，并減弱了力學性能各向異性。（Materials Research Letters, 2022. 10(8): 530-538.）。采用磁場下L-PBF工藝成形Al-12Si合金，實現了非平衡凝固組織的均勻化和細化，實現了強塑性綜合性能的顯著提升，其中極限抗拉強度提升至451.4±0.5 MPa，斷后延伸率提升至10.4±0.8%，其性能與納米顆粒增強鋁合金相近（Journal Materials Science Technology, 2023. Accepted）。

近日，上海大學任忠鳴、王江教授團隊提出了強磁場下熱處理新策略，在改善增材制造鈦合金力學性能領域取得新突破。相關成果在金屬領域國際知名刊物《Materials Science and Engineering: A》上以“Additively manufactured Ti–6Al–4V alloy by high magnetic field heat treatment”為題發表。論文第一作者為趙睿鑫博士，通訊作者為王江教授、陳超越副教授、澳大利亞皇家墨爾本理工大學馬前教授。

全文鏈接： https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0921509323003507

該團隊首次提出將強磁場后熱處理（HMF-HT）應用于L-PBF成形Ti64 α-β兩相區，磁場強度為3T，溫度為分別設置為800℃和900℃，通過調整α相的顯微結構進來提高其力學性能。結果表明，在L-PBF成形Ti-6Al-4V上施加強磁場下熱處理（HMF-HT）可促進一系列顯微結構的變化。

圖1 基于布里奇曼爐設計的HMF-HT裝置示意圖（用超導磁體環進行了修改）

打印態Ti64中的主要相是α/α′相，未檢測到β相，而在HT-800和HMF-HT-800樣品中出現β峰，表明α′→α+β，同時，α/α′的峰值位置向更高的d值移動。而在HT-900和HMF-HT-900樣品中，β峰變得更強，α相的峰值位置向更高的d值移動，同時，HMF-HT處理后，最強的α峰從{10–11}變為{11–20}。在HT-800和HMF-HT-800處理之后的樣品中，β相是顆粒狀和片層狀的混合物。HMF-HT-800樣品的粗化率略高于HT-800樣品。而在HT-900和HMF-HT-900之后，β相表現出完全的層狀結構。并且在HMF-HT-900之后獲得的α-β片層顯示出明顯的粗化，并通過線截距法量化了Ti64試樣中α-板條的粗化行為。同時，在α板條之間分布著棒狀的β相顆粒，這進一步證實在900℃進行強磁場下熱處理(HMF-HT)可以通過α′馬氏體的分解顯著改變L-PBF成形Ti64中的α-β片層結構，并且在HT期間沿BD（Z軸）施加軸向HMF可能在亞β轉變中影響α變體的晶體取向。

圖2 L-PBF成形Ti64不同HT顯微結構平行于（左）垂直于（右）構建方向SEM-BSE圖：(a) HT-800 (b) HMF-HT-800 (c) HT-900(d) HMF-HT-900（灰色和明亮的區域分別是α和β相，而白色箭頭表示施加的HMF的方向）

HMF-HT-900之后觀察到α相顯示出片狀、棒狀和球狀的混合形態。同時，更多的亞晶界（定義為1.5°和15°之間的取向差角），在每個溫度下HMF-HT后的α相中觀察到更多的亞晶界，圖3（左）中白色虛線所示，并分析了亞晶界和取向差角度，結果如圖3（右）所示。顯示了根據圖3（右）中的取向信息計算的平均取向差（KAM）圖，高KAM值的分布中白色虛線所示的亞晶界一致。

圖3 L-PBF成形Ti64中α變體平行于構建方向(YZ面)的高倍EBSD表征圖(左）:(a)HT-800 (b)HMF-HT-800 (c) HT-900 (d) HMF-HT-90 (e)所有樣品α相晶界取向角分布。L-PBF成Ti64退火樣品KAM圖（右）：(a) HT-800(b) HMF-HT-800(c) HT-800(d) HMF-HT-900.黑色箭頭表示施加HMF的方向，該方向與BD平行。

圖4（左）顯示了從每組樣品中獲得的工程應力-應變曲線。打印態Ti64的最高極限抗拉強度（σUTS）為1134.5±20.9 MPa，屈服強度（σ0.2）為1005.9±22.9 MPa，斷后延伸率（εf）為9.8±0.6%。比800℃和900℃在不應用HMF（HT-800和HT-900）的情況下，εf值分別提高到12.2%和13.1%，同時σUTS降低。HMF-HT-800增加了εf，HMF-HT-900進一步提高了εf至15.4±1.3%，σUTS = 922.2±0.6 MPa。如圖4（右）所示所有樣品斷口表面均表現出韌性斷裂特征。主要區別在于800℃和900℃的HMF-HT后，與打印態沒有施加HMF的微觀結構相比，韌窩更大或更深。圖5是HT-900和HMF-HT-900樣品的TEM明場圖像，5a和5b顯示，在不施加HMF（HT900）的情況下，僅在球化的α相中觀察到較高的位錯密度（圖5a），而在HMF-HT-900之后，粗α板條中的位錯網數量明顯更高（圖5b）。這些結果表明，HMF-HT可能促進了位錯增殖，從而加速了α-板條中亞晶界的形成。TEM-EDS線掃描用于分析在900℃下HT和HMF-HT后β相中的V含量，結果如圖5c所示，證明了在900℃下HMF-HT后β相中的V含量比HT后β相中的V含量低得多。

圖4 800℃和900℃下打印態、HT、HMF-HT拉伸性能示意圖（左）：(a)工程應力-應變曲線，(b)真應力-應變曲線，(c)加工硬化指數-真應變曲線。Ti64拉伸試樣斷口（右）:(a, f)打印態(b, g) HT-800(c, h) HMF-HT-800(d, i) HT-900；(e-j) HMF-HT-900

圖5 TEM明場圖像顯示(a) HT-900和(b) HMF-HT-900微觀結構中的位錯網(插圖顯示相應的SAED衍射圖)。(c)是(a)和(b)中沿a-a'進行EDS線掃描。

綜上所述，本文研究了采用強磁場熱處理（HMF-HT）對L-PBF成形Ti–6Al–4V的微觀結構、織構和拉伸力學性能的影響，得出了以下結論：

（1）HMF（3T）與800℃或900℃退火的耦合效應導致L-PBF制備的Ti–6Al–4V強度-塑形組合更加平衡，極限抗拉強度為922–987MPa，屈服強度為750–862 MPa，斷裂應變為14.1–15.4%。

（2）施加的HMF導致在α相中形成了更多的亞晶界，KAM圖中的KAM值的分布與α相中亞晶界的分布一致。使用改進的Williamson-Hall方法和TEM表征的分析進一步證明了這一觀點。同時，亞晶界的增加有助于片狀α相的加速球化和粗化。

（3）與不施加HMF相比，在900℃退火態L-PBF成形Ti–6Al–4V中，施加HMF使得β相的體積分數從6.5 vol%增加到13.4 vol%。而由于β相中的平均V含量較低，這又導致β相的晶格參數增加（3.2143?）。

（4）HMF-HT后拉伸延展性的改善可歸因于（i）產生的厚α板條和球狀α相顆粒（ii）α變體的織構發生變化以更好地與<11-20>α方向對齊，其中<11-20>α方向是HCP α-變體中最容易激活的滑移模式（iii）BCC β-相的體積分數增加。

（5）強磁場后熱處理（HMF-HT）可以作為一種有效的單步退火工藝來改善L-PBF成形Ti64的微觀結構和力學性能。