摘要：华中科技大学、中航工业西安飞机设计研究所、中航西安飞机工业集团股份有限公司、上海航天设备制造总厂有限公司、飞行器控制一体化技术国家重点实验室、北京星航机电装备有限公司及南京英尼格玛自动化有限公司的研究人员报道了多激光束同轴送丝定向能量沉积高强高韧TC11钛合金
长三角G60激光联盟导读
华中科技大学、中航工业西安飞机设计研究所、中航西安飞机工业集团股份有限公司、上海航天设备制造总厂有限公司、飞行器控制一体化技术国家重点实验室、北京星航机电装备有限公司及南京英尼格玛自动化有限公司的研究人员报道了多激光束同轴送丝定向能量沉积高强高韧TC11钛合金研究进展，相关研究以“Multi laser beams directed energy deposition of a high-strength and high-toughness TC11 titanium alloy with coaxial wire feeding”为题发表在《Next Materials》上。
文章重点：
开发了新型多激光束同轴送丝加工头
优化工艺参数实现TC11合金良好成形性
揭示了热梯度与异质形核的作用机制
送丝激光定向能量沉积（WLDED）增材制造技术采用金属丝材作为原料，具有材料利用率高、污染小等优势，适合大型构件的高效加工。然而传统旁轴送丝方式存在激光-丝材耦合不足、加工头灵活性受限等问题，难以满足复杂零件制造需求。本研究设计了一种多激光束同轴送丝装置，用于航空关键承力部件常用材料——高强高韧TC11钛合金的制备与分析。通过优化送丝速度（500 mm/min）和扫描速度（4 mm/s）等参数，显著改善了成形性。研究表明：同轴WLDED特有的热梯度（G）与凝固速率（R）特征及激光-丝材耦合位置，可显著影响不同区域微观结构演变和典型方向力学性能；同轴送丝带来的较低热梯度与异质形核协同效应，对细化材料微观结构具有决定性作用。由此阐明了同轴加工头多激光束WLDED工艺的微观组织演化机理与拉伸性能提升机制。
关键词：增材制造；微观组织；力学性能；激光定向能量沉积；TC11合金
图1.同轴WLDED方法：(a)六激光束同轴加工头设计；(b)沉积过程示意图；(c)实物加工头
图2.送丝速度200-400 mm/min、扫描速度1-4 mm/s的单道沉积形貌
图3.单道沉积截面特性研究：(a)几何特征定义；(b)不同参数下表面形貌；(c)不同参数下截面形貌
图4.不同参数下熔道几何特征分布（红色区域为关键影响因子）：(a)宽度/高度/熔深；(b) 稀释率；(c)宽高比；(d)接触角
图5.多层沉积截面（参数分别为(a)送丝400 mm/min扫描3 mm/s、(b)500 mm/min扫描4 mm/s、(c)600 mm/min扫描5 mm/s）；(d)有效沉积面积；(e-g)对应试样的显微硬度分布（黄色为沉积层，灰色为基体）
图6.块体试样：(a)宏观形貌；(b)晶粒尺寸演变
图7.沉积态TC11块体：(a)IPF图；(b)拉伸性能与断口形貌；(c-d)极图
本研究采用新型同轴WLDED工艺制备了广泛应用的高强高韧TC11钛合金，通过系统研究沉积成形性、微观组织和力学性能，成功实现了晶粒尺寸调控并促进柱状晶-等轴晶转变（CET），主要结论如下：
(1)开发了多激光束同轴送丝加工头，可实现丝材与熔池的均匀加热。通过分析扫描速度、送丝速度和峰值功率对稀释率、宽高比和接触角等成形特性的影响，建立拟合计算公式，确定了优化工艺参数窗口。
(2)基于硬度变化进一步优化多层打印参数并制备块体试样。不同区域微观组织和晶粒尺寸演变与WLDED工艺高度相关，这是由同轴工艺特有的R/G值及激光-丝材耦合位置决定的。其典型力学性能优于传统增材制造技术。
(3)当前研究聚焦有限条件下的单道/多层/块体沉积，后续应研究热处理制度及多相变对组织性能的影响，以进一步提升WLDED技术的工程适用性。
论文链接：
长三角G60激光联盟陈长军转载
热忱欢迎参加我们在2025年5-27-29日举办的两机展和激光在两机（飞机发动机和燃气轮机）及低空经济中的应用大会
来源：江苏激光联盟