激光粉末床熔融制备TA15合金的微观组织演变与高温力学性能研究

　　针对航空航天复杂构件制造难题，研究人员通过激光粉末床熔融(LPBF)技术系统研究了TA15合金的致密化行为、微观组织演变及600℃高温下的拉伸强度(UTS 938.62±5 MPa)与疲劳性能(2×106 次循环寿命)，揭示了工艺参数-组织-性能关系，为高温服役部件提供了新设计思路。

　　

在航空航天领域，TA15(Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Zr)近α钛合金因其优异的高温强度、热稳定性和焊接性能，成为航空发动机关键部件的首选材料。然而，传统制造技术难以应对该合金复杂结构的整体成型需求，且材料本身的高活性、低导热特性加剧了加工难度。更严峻的是，航空部件在服役过程中长期承受高温循环载荷，现有研究多集中于静态性能而缺乏对疲劳机制的认知——这正是导致80%以上航空部件失效的主要原因。

针对这些挑战，来自湖南的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表重要成果。他们采用激光粉末床熔融(Laser Powder Bed Fusion, LPBF)这一革命性增材制造技术，通过精确控制激光功率(155 W)与扫描速度(1200 mm/s)，成功制备出相对密度达99.81%的TA15合金试样。研究发现，优化后的试样在600℃高温下仍保持938.62 MPa的抗拉强度，仅比室温性能下降21.7%，更在200℃、500 MPa应力比的疲劳测试中实现2×10⁶
次循环不断裂，突破了该材料在极端环境下的应用瓶颈。

研究团队运用了三大关键技术：首先采用BLT-S210设备进行参数优化实验，建立能量密度窗口；其次通过TEM和SAED(选区电子衍射)解析[$\stackrel{}{1}$

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6]晶带轴的α相演变；最后结合高温拉伸试验机与疲劳测试系统评估性能。所有试样均采用Changsha Tianjiu Metal Materials公司提供的15-53 μm球形粉末制备。

【材料与LPBF工艺】章节揭示，当能量密度不足时，未熔粉末和熔池润湿性差导致孔洞缺陷；而能量过高则引发匙孔效应。最佳参数下获得的柱状晶组织内部存在四种针状马氏体，这种特殊结构成为性能提升的关键。

【微观组织影响】部分通过TEM发现，纳米级孪晶和高密度位错共同作用，使材料在500℃仍保持990 MPa强度。但超过600℃后，动态再结晶软化与位错增殖硬化的竞争机制导致强度-塑性突变，这一发现为确定材料服役上限提供了理论依据。

结论部分指出，LPBF特有的快速凝固特性在TA15合金中形成了独特的"柱状晶+纳米马氏体"复合结构，这种组织在高温下表现出卓越的稳定性。研究不仅建立了工艺-组织-性能的定量关系，更首次系统阐释了该材料在热力耦合条件下的疲劳损伤机制，对航空发动机整体叶盘等关键部件的轻量化设计具有重大指导价值。

该工作获得国家自然科学基金(52205140)和湖南省杰出青年基金(2023JJ20041)支持，由Penghao Xu、Libo Zhou等学者合作完成。正如通讯作者Zhou Li强调，这项研究为发展"性能可定制"的高温合金提供了新范式，未来可通过调控LPBF参数实现微观组织的精准设计，推动航空航天制造技术进入新纪元。