近年來(lái)，在航空航天、醫(yī)療或賽車(chē)等尤其注重安全問(wèn)題的應(yīng)用領(lǐng)域，人們對(duì)增材制造的5/23級(jí)鈦合金（Ti6Al4V）進(jìn)行了大量研究工作。輕量化設(shè)計(jì)讓安全裕度降低，因此對(duì)材料的高疲勞強(qiáng)度和生產(chǎn)過(guò)程穩(wěn)定性產(chǎn)生了更高需求，這樣才能保證機(jī)械材料性能的標(biāo)準(zhǔn)偏差非常低。

由Quintus Technologies開(kāi)發(fā)的高壓熱處理（HPHT）技術(shù)，將傳統(tǒng)的HIP循環(huán)與集成的后續(xù)惰性氣體淬火循環(huán)相結(jié)合，對(duì)于在精簡(jiǎn)、快速和穩(wěn)健的生產(chǎn)過(guò)程中極大限度地提高增材制造鈦合金Ti6Al4V的疲勞強(qiáng)度具有極大優(yōu)勢(shì)。

圖1：一級(jí)方程式C39賽車(chē)：阿爾法·羅密歐賽車(chē)©2020

高壓熱處理后處理主要包括熱等靜壓（HIP）、熱處理（HT）和表面處理，這一處理步驟是保證生產(chǎn)過(guò)程穩(wěn)定性不可缺少的一部分，應(yīng)當(dāng)根據(jù)特定合金的類(lèi)型進(jìn)行調(diào)整。對(duì)于鈦合金Ti6Al4V這樣一種被廣泛使用和研究的合金來(lái)說(shuō)，這一處理會(huì)顯得更加有益。

由于一些承受疲勞載荷的高性能材料的關(guān)鍵部件，對(duì)質(zhì)量和生產(chǎn)控制都有著極高的要求，而增材制造便是當(dāng)前實(shí)現(xiàn)仿生輕量化設(shè)計(jì)的一項(xiàng)日趨重要的技術(shù)。利用增材制造（AM）工藝新穎的微觀(guān)組織，并采用鍛件或鑄件已知的成熟熱處理方法，也是一種較為新穎的處理方法。

本文將會(huì)講述高壓熱處理對(duì)鈦合金疲勞強(qiáng)度的影響，以及在高性能領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用案例。

HIP可有效修復(fù)缺陷，提高HCF強(qiáng)度

與鍛造等傳統(tǒng)方法生產(chǎn)的部件相比，增材制造的部件的機(jī)械性能，特別是抗疲勞性能通常較低。由于逐層堆積的過(guò)程會(huì)產(chǎn)生氣孔、未熔合粉塊、微裂紋和殘余應(yīng)力，這些缺陷會(huì)引起應(yīng)力集中，并作為裂紋萌生點(diǎn)，對(duì)疲勞性能和延展性都會(huì)造成不利影響。

近年來(lái)，許多學(xué)者（如[4]）已研究并證實(shí)了使用熱等靜壓（HIP）技術(shù)能成功消除L-PBF Ti6Al4V材料的內(nèi)部缺陷，并成功提高疲勞強(qiáng)度。對(duì)于L-PBF Ti6Al4V材料，廣泛使用的熱等靜壓參數(shù)為920°C，100MPa和2小時(shí)的保溫保壓時(shí)間，這符合ASTM F2924-14的規(guī)范，可以可靠地將N=106時(shí)的許用應(yīng)力幅值從小于400MPa大幅提高到大于600MPa（見(jiàn)圖3）。

這些工藝參數(shù)起初是為鈦鑄件的孔洞和收縮的熱等靜壓致密化而開(kāi)發(fā)的，與L-PBF材料相比，鈦鑄件的凝固組織一般更接近平衡態(tài)，L-PBF材料在高溫處理下的軟化比鑄件更明顯。

圖3：L-PBF Ti6Al4V在應(yīng)力釋放（SR, 720°C）和應(yīng)力釋放+熱等靜壓條件下的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞強(qiáng)度（阿爾法·羅密歐賽車(chē)ORLEN ©2020提供）

高溫條件下的Ti6Al4V軟化

研究表明，L-PBF工藝生產(chǎn)的Ti6Al4V材料在任何一種高溫處理后，其靜態(tài)強(qiáng)度均明顯下降[4]。這是由于在“打印”條件下極快冷卻的微觀(guān)組織的亞穩(wěn)態(tài)。原位冷速為104-106 K/s [5]，這會(huì)導(dǎo)致馬氏體完全轉(zhuǎn)變?yōu)?alpha;’相。盡管有些作者報(bào)道了Ti6Al4V的Mf 溫度低于室溫，但在J. Mezzetta [6]的XRD實(shí)驗(yàn)中，在“打印”狀態(tài)下，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)殘留的β相（圖4）。

圖4：隨著熱處理溫度升高，顯微組織（α/α’片層寬度）和馬氏體分解（α’-> α+β）的漸進(jìn)變化（引自[6]）

G. Lütjering等人[7]強(qiáng)調(diào)了全片層組織中α團(tuán)簇尺寸和α片層寬度等特性對(duì)冷卻速率的依賴(lài)性，以及它們對(duì)強(qiáng)度（Rp0.2, UTS），延展性（εF）和HCF強(qiáng)度的重要性。他描述了馬氏體分解起始溫度為700 - 850°C。這與通常報(bào)道中材料從打印條件下的屈服強(qiáng)度損失有關(guān)[8]：