激光增材制造TC4-Zr合金在显微组织和性能改良中的作用研究
本文是发表于《Journal of Materials Research and Technology》的一篇关于激光增材制造TC4-Zr合金微观结构及性能研究的学术论文，主要作者包括X.J. Jiang、S.J. Bao、L.W. Zhang等，他们分别来自石家庄铁道大学、燕山大学、河北科技大学和中国铁建股份有限公司等机构。该研究于2023年5月19日在线发表。
钛合金以其高比强度、优异的耐腐蚀性能、热稳定性和良好的生物相容性，在航空航天、海洋、化工以及医疗领域得到了广泛的应用。其中，Ti-6Al-4V合金（通常称为TC4合金）因其综合机械性能优异，而被广泛用于多种结构件。然而，随着科学技术的进步，尤其是航空航天和海洋开发对材料性能提出更高要求，TC4合金的改性成为一大研究热点。
锆（Zr）因其抗空间辐射和抗原子氧腐蚀能力以及优异的腐蚀抗性，与钛（Ti）属于同一族元素，且可溶解于钛基合金中，被视为改善TC4合金性能的理想合金化元素。尽管已有研究表明高含量Zr可显著提高TC4的β相稳定性、细化显微组织并改善机械和耐腐蚀性能，但其在激光增材制造过程中对TC4显微组织演变及性能的影响尚不清楚。因此，本研究旨在通过激光增材制造技术制备不同Zr含量的TC4合金，研究其显微组织演变、强化机理以及耐腐蚀机制。
本研究根据实验内容，可以分为以下几个阶段。
使用IPG光纤激光系统（型号：IPG Photonics YLS-400-S2-TR）在真空条件下制备了一系列TC4-Zr合金，包括TC4（0% Zr）、TC4-15Zr（15% Zr）、TC4-30Zr（30% Zr）和TC4-45Zr（45% Zr）。原料为球形TC4和纯Zr粉末，颗粒尺寸为20-80 μm。不同合金的成分比例见研究表中的标称成分。
通过X射线衍射（XRD）分析各合金的晶体相组成和相变。使用电子背散射衍射（EBSD）和透射电子显微镜（TEM）对显微组织进行表征，包括晶体取向、晶界特性以及亚结构变化。
利用Instron 5982测试装置进行单轴拉伸试验，测试样本的屈服强度、抗拉强度、伸长率以及失效机理，确保结果的准确性（5组样品的测试数据取平均值）。此外，还借助扫描电子显微镜（SEM）观察拉伸样本的形变后断口形貌。
利用电化学工作站进行腐蚀韧性测试，包括在0.61 M NaCl溶液中的动电位极化曲线测试及荷电转移行为；并通过盐酸浸泡实验评估样品的失重变化，结合X射线光电子能谱（XPS）分析浸泡后形成的钝化膜化学组成及其保护机理。
通过XRD分析验证，随Zr含量增加（15%、30%、45%），β相的稳定性逐渐增强。当Zr含量达到45%时，β相得以完全在室温下保留。Zr元素的加入显著细化了TC4的显微组织：当Zr含量低于或等于30%时，生成了具有类孪晶亚结构的超细马氏体α′相；当含量达到45%时，材料完全由等轴β相构成。这种行为是由Zr的溶解强化效应及其固有的较低β/α相变温度导致。
拉伸试验表明，加入Zr后，合金的屈服强度和抗拉强度均有所提高。例如，当Zr含量从0%增至30%时，屈服强度由916 MPa提高至1170 MPa，抗拉强度由1044 MPa提升至1310 MPa。尽管前期随Zr增加伸长率略有下降（从10.8%降至7.7%），然而当Zr含量达到45%时，伸长率反而回升至12.5%。这是由于形变机制的改变：低于30% Zr时，形变机制为位错滑移；而45% Zr时，由应力诱导的马氏体相变与位错滑移协同作用，双屈服现象增大了材料的延展性。同时，弹性模量随高含量Zr的加入下降（92 GPa vs. 110±3 GPa），这是因主要成分由hcp结构的α相转变为bcc结构的β相。
动电位极化曲线测试显示，Zr含量增加显著改善了合金的腐蚀电位和自腐蚀电流密度。例如，腐蚀电位从-0.336 V提高至-0.225 V，自腐蚀电流密度从6.731×10⁻⁷ A/cm²降至1.214×10⁻⁷ A/cm²。浸泡腐蚀实验证实了高Zr含量样品的失重显著减少，尤其是30%-45% Zr合金表现出更强的表面保护能力。XPS分析表明，钝化膜由TiO₂、ZrO₂、Al₂O₃和微量V₂O₅组成，其中ZrO₂比例的提升是改善钝化膜密度及耐腐蚀性能的关键因素。
本研究表明，通过在激光增材制造过程中引入不同含量的Zr，能够显著细化TC4的显微组织、提高材料的力学及耐腐蚀性能。高含量Zr的涂层制造（如45% Zr）因其β相稳定性和应力诱导相变特点，在高强度和高韧性要求的航空航天复杂结构件制造中具有广阔前景。研究还通过独特的激光增材快速冷却条件，丰富了传统钛合金制备方法之外的加工工艺及组织性能理论体系，为后续研究基础数据积累作出了贡献。