这篇文档属于类型a，是一篇关于钛合金Ti-6Al-4V混合制造技术的原创研究论文。以下是针对该研究的学术报告：

Ti-6Al-4V混合制造技术：金属成形与电弧增材制造的结合

作者及机构
本研究由德国勃兰登堡工业大学（Brandenburg University of Technology Cottbus-Senftenberg）的M. Bambach团队主导，合作单位包括Access e.V.和Otto Fuchs KG。论文发表于《Journal of Materials Processing Technology》2020年第282卷，标题为《Hybrid manufacturing of components from Ti-6Al-4V by metal forming and wire-arc additive manufacturing》。

学术背景

研究领域与动机
Ti-6Al-4V是航空航天领域的关键材料，传统制造需多步热锻和大量机加工，材料利用率低（<10%）。增材制造（Additive Manufacturing, AM）虽能提高材料利用率，但大尺寸零件成本高、耗时久。本研究提出结合电弧增材制造（Wire-Arc Additive Manufacturing, WAAM）与锻造的混合工艺链，旨在优化生产效率和力学性能。

研究目标
1. 分析WAAM在锻造预制件上生成强化肋的可行性；
2. 研究WAAM预制件热成形后的微观结构与力学性能；
3. 对比混合工艺与传统锻造的性能差异。

研究流程与方法

1. 实验设计

研究包含两条工艺路线：
- 路线1：WAAM预制半成品→单步锻造；
- 路线2：传统锻造预制件→WAAM添加特征。

2. 材料与设备

• 材料：Ti-6Al-4V锻造T型截面（99 mm×42 mm×10 mm），WAAM使用直径1 mm的Ti-6Al-4V焊丝。
  
• 设备：六轴Fanuc机器人+Fronius TPS/i 500焊接系统，惰性气体保护舱（Ar）。
  

3. 关键实验步骤

WAAM工艺参数
- 电流120 A，电压14 V，送丝速度10 m/min，层厚3.3 mm。
- 化学分析显示WAAM材料成分符合DIN 17851标准（Al 6.45%, V 3.87%）。

微观结构分析
- 样品沿构建方向切割，经SiC研磨、SiO2抛光，Kroll试剂蚀刻后，通过光学显微镜和扫描电镜（SEM）观察。
- WAAM典型结构：粗大柱状β晶粒（平行构建方向8000 μm，垂直1300 μm），内部为α相“篮编织”组织（图3a-b）。
- 锻造区：双相（α+β）组织，兼具高强度和延展性（图3c）。

力学性能测试
- 拉伸试样从三个区域提取：WAAM区、过渡区、锻造区，方向包括平行、垂直和45°构建方向。
- 测试标准：DIN EN 2002-001:2005，室温拉伸。

热成形实验
- 等温锻造（940°C，速度0.1 mm/s）WAAM预制叶片，最大锻造力2200 kN（图8b）。
- 锻造后热处理（710°C×2 h，空冷）以优化性能。

主要结果

1. 微观结构

• WAAM材料：各向异性显著，垂直构建方向延展性更高（10% vs. 横向7%）。
  
• 过渡区：热影响区（HAZ）为细小β晶粒（70 μm）与马氏体/篮编织混合组织（图3d），无β晶粒粗化。
  
• 锻造后WAAM：高应变区形成5 μm等轴α颗粒（图9a），边缘未变形区保留原始WAAM结构（图9c）。
  

2. 力学性能

• WAAM材料：抗拉强度（UTS）940-954 MPa，屈服强度（YS）837-860 MPa，均超过锻件标准（DIN 17864:2012-03）。
  
• 过渡区：UTS 934 MPa，YS 850 MPa，延展性8%，界面无缺陷（图6）。
  
• 锻造后WAAM：YS 922 MPa，UTS 980 MPa，延展性14.5%，优于铸锻标准（图10）。
  

3. 性能提升机制

热锻造通过塑性变形细化α板条厚度，消除孔隙，而后续热处理进一步优化双相组织。

结论与价值

科学价值
1. 验证了WAAM与锻造混合工艺的可行性，界面结合强度满足工程需求；
2. 揭示了WAAM材料热成形后的微观结构演化规律，为工艺优化提供理论依据。

应用价值
1. 资源节约：减少多步锻造和机加工，材料利用率显著提高；
2. 灵活性：适用于复杂结构（如航空叶片）和大尺寸零件制造。

研究亮点

1. 创新工艺链：首次系统研究WAAM预制件+单步锻造的混合流程；
   
2. 性能突破：锻造后WAAM材料的延展性提升7.5%，超越传统锻件标准；
   
3. 跨尺度分析：结合宏观力学性能与微观组织演化，阐明性能优化机制。
   

其他发现

• 残余应力控制：WAAM过程中惰性气体保护有效避免氧化，后续退火进一步降低残余应力（图4）；
  
• 工业适配性：混合工艺可兼容现有锻造设备，降低改造成本。
  

本研究为钛合金高性能制造提供了新思路，尤其适用于航空航天领域对轻量化与高可靠性的需求。