超声表面滚压工艺同步提升电子束熔融Ti6Al4V合金的强度与塑性

推荐：本研究针对增材制造Ti6Al4V合金强塑性难以协同提升的难题，采用超声表面滚压工艺（USRP）对选择性电子束熔融（SEBM）成形的Ti6Al4V进行表面强化。通过系统评估不同载荷（200-1000 N）对梯度微观结构的影响，发现1000 N处理可形成500 μm梯度层，使抗拉强度提升至1089 MPa（提高8.8%），延伸率达15.6%（提高9.1%）。该研究为金属增材制件性能优化提供了新方法。

　　

钛合金Ti6Al4V因其高比强度、优异的耐腐蚀性和生物相容性，在航空航天、生物医疗等领域应用广泛。随着高端装备向复杂结构、长寿命方向发展，传统制造工艺难以满足高性能钛合金零件的需求。增材制造（Additive Manufacturing, AM）技术通过逐层堆积可实现复杂零件的快速成型，其中选择性电子束熔融（Selective Electron Beam Melting, SEBM）因其高真空环境和小残余应力等特点，成为制备高性能钛合金的有效手段。然而，如何进一步提升SEBM成形Ti6Al4V的力学性能，尤其是实现强度与塑性的协同提升，仍是当前研究的难点。

针对这一挑战，来自广东佛山Well Technology Company Limited的研究团队在《Journal of Materials Research and Technology》发表论文，创新性地将超声表面滚压工艺（Ultrasonic Surface Rolling Process, USRP）应用于SEBM成形的Ti6Al4V合金。USRP结合了表面机械滚压、超声冲击和低塑性抛光等技术，能在材料表面形成梯度纳米结构，从而改善材料性能。研究人员通过系统研究不同USRP载荷（200-1000 N）对Ti6Al4V表面质量、微观结构和力学性能的影响，揭示了梯度结构形成机制及其对性能的调控作用。

研究采用ArcAM Q10系统制备Ti6Al4V样品，通过HK 30C超声表面滚压设备进行处理。关键实验技术包括：3D表面轮廓仪分析粗糙度，X射线衍射测量残余应力，扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）观察微观结构，电子背散射衍射（EBSD）分析晶体学特征，以及室温拉伸测试评估力学性能。

研究结果部分：

3.1 表面质量

USRP显著改善了Ti6Al4V的表面质量。在1000 N载荷下，表面粗糙度Ra和Rz分别降至1.06 μm和1.37 μm，较车削处理样品（Ra 5.06 μm，Rz 10.3 μm）显著降低。SEM观察显示，车削痕迹被完全消除，表面无明显缺陷。

3.2 表面显微硬度和残余应力

USRP处理使表面显微硬度从351.2±7.8 HV_0.3提升至395.7±4.7 HV_0.3。残余压应力从-62±28 MPa大幅增加至-1149±102 MPa，这归因于USRP在表面区域产生的严重塑性变形。

3.3 微观结构演变

TEM分析揭示了由表及里的梯度结构：最外层为63.47±26 nm的等轴α-Ti纳米晶（区域1）；随后依次出现超细等轴α-Ti晶粒、纳米层状结构和缠结位错（区域2），近等轴α-Ti晶粒和超细条状结构（区域3），条状结构和少量β-Ti（区域4），以及部分被破坏的层状α-Ti晶界和少量位错缠结（区域5）。在1000 N载荷下，梯度结构深度超过500 μm。位错和堆垛层错在晶粒细化过程中起关键作用。

3.4 拉伸性能

USRP处理同时提高了Ti6Al4V的强度和塑性。1000 N处理后，抗拉强度（UTS）达1089 MPa（提高8.8%），延伸率15.6%（提高9.1%），而原始样品分别为1001 MPa和14.3%。但屈服强度略有下降（从909 MPa降至864 MPa），这归因于超声振动促进了再结晶和位错密度降低。

讨论部分指出，梯度结构的形成主要归因于位错的形核、运动和湮灭。USRP过程中，位错先形成位错线和位错墙，进而转变为晶界，实现晶粒细化。表面纳米晶区域和内部粗晶区域的协调变形是强塑性协同提升的关键机制。表面残余压应力和改善的表面质量也有助于抑制裂纹萌生。

该研究的重要意义在于：首次系统研究了USRP对SEBM成形Ti6Al4V的强化效果，阐明了梯度结构形成机制和强塑性协同提升原理，为金属增材制件的表面强化提供了新方法。研究结果对航空航天、生物医疗等领域高性能钛合金零件的开发具有重要指导价值。