1、引言

增材造作(additive manufacturing,AM)技术以其高矫捷性、近净成形能力和复杂结构的造备优势，在航空航天、生物医疗、汽车工业等高端造作领域获得了宽泛的利用[1-2]。钛合金，出格是经典的Ti-6Al-4V(TC4)合金，由于其优良的力学机能、耐侵蚀性和生物相容性，已成为增材造作领域最具代表性的金属资料之一[3]。然而，传统增材造作的TC4合金常阐发出粗壮柱状晶粒和显著的各向异性，导致力学机能不均匀，难以满足高机能和高靠得住性设备对构件服役机能日益严格的要求。因而，若何在增材造作过程中实现TC4合金晶粒的细化与等轴化，突破晶粒描摹与取向的限度，从而获得组织均匀、机能优异的构件，已成为资料科学与先进造作领域亟待解决的关键技术难题之一。

金属资料的机能重要由其微观组织决定，而晶粒尺寸、状态和取向则对力学机能拥有沉要影响。增材造作过程中，熔池的高温梯度和急剧冷却前提通常导致钛合金出现显著的晶粒取向性和柱状晶结构。通过调整工艺参数、增长异质形核剂以及合金元素微调等战术，能够显著扭转熔池内部的凝固前提，实现从柱状晶向等轴晶的转变(columnar-to-equiaxed transition,CET)[4-5]。其中，异质形核剂的引入可提供有效的异质成核位点，降低晶粒的形核能垒;工艺参数的调控则可显著扭转温度梯度和凝固速度，推进凝固前沿界面不变性;而合金元素的适量增长则能够通过影响相变行为和凝固区间，进一措施控晶粒描摹与尺寸[6-7]。总之，通过上述步骤的组合利用，可在增材造作过程中精准节造TC4合金的微观组织，实现晶粒细化与等轴化，进而显著提升资料的强韧性、委顿寿命和服役靠得住性。

本文将萦绕增材造作TC4合金等轴晶组织调控这一主题问题，系统总结工艺参数优化、异质形核剂引入以及合金元素微调等多种等轴化调控步骤的最新钻研进展，深刻分析各调控战术的作用机造及其对微观组织与机能提升的内涵法规，并在此基础上探求该领域未来可能的钻研方向与关键挑战，以期为实现增材造作TC4合金构件的高机能化、均质化提供全面的理论凭据和实际领导。

2、分歧微合金化方式对增材造作Ti-6Al-4V合金微观组织等轴化的影响机造

微合金化技术作为钛合金微观组织调控的沉要伎俩，通过向TC4合金中增长微量合金元素，可能精密调控合金的相变行为、晶粒尺寸和晶界个性，进而实现组织结构的细化与等轴化，从底子上提升增蚕胙合金构件的综合力学机能[8]。目前钻研批注，凭据合金化元素对钛合金α/β相转变温度的影响水平，可将其划分为α不变元素、β不变元素(同晶型和共析型)及中性元素3大类[7]。针对上述元素类型，本节将别离探求分歧微合金元素在增材造作前提下对TC4合金微观组织等轴化作用机造的最新钻研成就。

2.1 α不变元素及间隙元素对TC4合金微观组织的调控机造

α不变元素通过提高β相转变温度，不变α相并调控其描摹和散布，对TC4合金的微观组织等轴化拥有沉要影响[9]。常见的α不变元素蕴含铝(Al)、硼(B)和杂质元素氧(O)、氮(N)、碳(C)[10-13]。

氧(O)作为间隙元素，对TC4合金的微观组织和力学机能有显著影响。在增材造作过程中，氧含量直接影响微观组织的描摹和相态。Rousseau等[14]钻研了定向能量沉积(DED)造备的TC4合金中氧含量对微观组织和力学机能的影响。通过扫描电子显微镜(SEM)分析3种分歧氧含量的粉末(低氧、中氧和高氧)，发现高氧含量的样品出现出强烈的α'马氏体结构，伴随显著的β晶界(图1a)。X射线衍射(XRD)分析进一步确认了α'相的存在，且拉伸试验批注抗拉强度随着氧含量增长呈正有关。然而，高氧含量(质量分数超过0.25%~0.46%)显著降低电子束溶解(EBM)造备TC4合金的Charpy冲击能量[15]。热等静压(HIP)后处置可显著提凹凸氧或正常氧含量样品的冲击韧性，且样品取向对低氧含量样品的冲击机能影响更为显著。此表，氧含量与硬度呈正有关，未经HIP处置的样品硬度从约Rockwell C32增长到40，但取向对硬度无显著影响。在激光粉末床溶解(LPBF)过程中，Soundarapandiyan等[16]发现高氧含量的TC4粉末可削减熔体喷射、降低表表粗糙度和缺点数量。随着氧含量增长，熔池粘度升高，熔体流动势头减弱，熔路颠簸削减，从而改善了表表质量。微硬度因固溶强化效应略有提升，但微观组织未产生显著变动。这些钻研批注，氧通过扭转熔池动力学和固溶强化机造，影响了凝固行为，对晶粒状态(柱状/等轴)的演变拥有潜在调控作用，推进了微观组织的均匀化，但需严格节造氧含量以预防韧性降落。综合来看，氧对等轴化的调控存在阈值效应:适量氧通过优化熔池前提(如提高粘度、不变熔池)可能间接利于削减缺点和推进均匀化，但过量氧则偏差于强化马氏体相变，抑造等轴晶形成并侵害韧性。

氮(N)作为间隙元素，其引入形成的强化相是调控增材造作钛合金凝固组织、推进晶粒细化(出格是柱状晶向等轴晶转变)的有效战术之一。N元素通过原位反映天生强化相，显著细化TC4合金微观组织并提升力学机能。Wei等[17]在低浓度N?空气下通过气液反映造备了TiN和AlN加强的TC4基复合伙料(NTMCs)。随N?浓度增长，NTMCs的微硬度、0.2%压缩屈服强度及极限压缩强度显著提升。其强化机造蕴含晶粒细化、弥散强化、沉淀硬化及基体到强化相的载荷转移(图1b)。Chen等[18]钻研了高氮空气下L-PBF造备的TC4合金，发现针状α'马氏体显著细化，并形成β层。这种组织演变源于高氮空气下强烈的热循环，导致更高的热梯度和冷却速度。增长25vol%氮后，合金的压缩强度和应变显著提高，归因于马氏体细化、固溶强化及位错密度增长。

硼(B)通过形成TiB强化相，可能有效改善TC4合金的微观组织和机能。Bermingham等[19]钻研了在电弧增材造作(wire arc additive manufacturing,WAAM)中增长微量硼(0.13wt%)对TC4合金的影响。了局批注，硼的增长解除了晶界α和团簇α相，形成均匀的藐幼等轴α晶粒。藐幼的TiB针状物分散在微观组织中，出格是在热处置后，TiB针可有效作为α相的形核点，天生各向同性的α微观组织。与未改性的TC4合金相比，硼改性合金在室温单轴压缩中的塑性提高了40%，且强度未受损失。Banerjee等[20]通过激光工程化净成形(laser engineered net shaping,LENS)工艺沉积TC4与硼粉末的混合物，天生原位TiB沉淀相，均匀分散在α/β基体中(图1c)。硼不仅推进了TiB沉淀，还影响了α/β基体的微观组织演变，从而实现了晶粒细化和等轴化。Liu等[21]利用L-DED技术造备了TiB/TC4复合伙料，解决了强度-延展性衡量和各向异性问题。在液相凝固过程中，TiB的析出和成长引发成分过冷，推进晶粒形核。TiB晶须在晶界处荟萃，限度晶粒成长，导致柱状晶向等轴晶的显著转变(CET)。形成的网状强化相结构在维持较高延展性的同时提高了抗拉强度。因而，B通过形成TiB相，从两方面调控等轴化机造:一方面通过成分过冷和提供异质形核点显著推进形核，另一方面通过钉扎晶界有效抑造柱状晶成长，是实现CET、降低各向异性的强有力伎俩。

碳(C)通过形成TiC强化相，可能有效调控TC4合金的微观组织。Ma等[22]利用DED步骤造备了TiC含量从0%~50%的无裂纹钛基复合伙料。增长TiC?后,α-Ti晶粒细化，α-Ti编织强度减弱，且TiC与α-Ti之间形成半共格晶格界面，有利于Ti的异质形核。50%TiC?/TC4复合伙料的微硬度高达730.2HV?.?,磨损质量损失比TC4合金降低45.9%。然而，高TiC含量显著降低抗拉强度和延长率，由于脆性TiC相在拉伸过程中仅通过断裂开释应力，加快基体达到加工硬化鼓和。Zhang等[23]造备了TiC加强的TC4职能梯度资料(FGM),发现随着TiC含量增长，α-Ti和β-Ti晶粒出现各向同性且尺寸减幼。FGM底部样品的抗拉强度达1296 MPa，延长率为7.17%，重要归因于Hall-Petch强化和固溶强化效应。然而，高热梯度下脆性TiC相的存在降低了拉伸机能(图1d)。此表，Wang等[24]钻研了分歧粒径TiC颗粒对L-DED造备的TiC/TC4复合伙料的影响。超细TiC粉末(<10μm)均匀涂覆在TC4粉末表表，形成原位合成的TiC强化相，重要为颗粒状和链状共晶TiC，均匀散布于基体中。相比大颗；旌戏勰，涂层粉末造备的复合伙料抗拉强度提高4.6%，延长率提高259.3%，断裂机造重要为共晶TiC相的断裂和基体的韧性危险。综合来看，TiC颗粒通过提供异质形核并钉扎晶界迁徙，可有效推进晶粒细化、驱动柱状晶向等轴晶转变(CET);然而，过高的TiC体积分数(尤其在峻峭热梯度前提下)易诱发脆性相富集，导致应力集中及裂纹优先形核，侵害资料延展性与整体力学机能。这批注精确调控TiC临界体积分数及其空间散布对实现最优等轴化成效的主题作用。

2.2 β不变元素对TC4合金微观组织的调控机造

β不变元素通过降低β相转变温度，扩大β相区并加强其不变性，对TC4合金的微观组织等轴化拥有沉要作用[25]。凭据晶格结构和相变行为，β不变元素可分为同晶型和共析型2类。

2.2.1 同晶型β不变元素

同晶型β不变元素(Mo、Nb、Ta)是调控增材造作钛合金晶粒状态、驱动柱状晶向等轴晶转变(CET)的关键战术之一，其作用主题在于不变β相并优化凝固行为。

其中，钼(Mo)通过异质形核和固溶强化双沉机造实现微观组织优化。Schneider-Maunoury等[26]选取DED技术造备TC4-xMo合金(Mo含量0%、25%、50%、75%、100%)，钻研发现未齐全溶化的Mo颗粒作为异质形核点，推进新晶粒形成，而溶化的Mo溶质通过形成过冷区提高晶粒细化效能(图2a)。随Mo含量从25wt%增至75wt%，微硬度显著提升，与Mo含量及沉积过程中的冷却速度亲昵有关。Ye等[27]通过热力学分析进一步揭示，Mo溶质在固态热循环中不变β相，削减α/β相异质性，从而改善强杜纂塑性的平衡。此表，Mo增长显著抑造粗壮柱状晶成长，晶粒尺寸从未改性的约100μm减幼至约50μm，显著提升各向同性。Mo改性TC4合金的抗拉强度可达1100MPa以上，延长率维持在10%左右，优于传统铸造TC4合金，展示出优异的强度-塑性匹配。

铌(Nb)通过细化初生β-Ti及针状α-Ti结构，显著推进TC4合金微观组织的等轴化。钻研批注，Nb增长增长β-Ti及α+β晶界比例，抑造柱状晶成长，推进等轴晶形成。Gou等[28]选取L-PBF技术造备TC4-xNb合金(Nb含量0wt%~10wt%)，发现随Nb含量增长，β晶粒尺寸从约80μm减幼至约40μm,α片层宽度从1.2μm减幼至0.6μm(图2b)。Nb通过固溶强化及形核推进作用，提高抗拉强度(达1150MPa)、屈服强度(约950MPa)及延长率(约12%)，优于未改性TC4合金并超过铸造尺度。Nb的增长还在高温下不变β相，削减α'马氏体形成，从而降低内应力并提高委顿机能。此表，Nb改性合金在侵蚀环境中阐发出更高的不变性，适于航空航天及生物医疗领域的高机能利用。

钽(Ta)通过调控α/β相比例及抑造柱状晶成长优化TC4合金微观组织。桑彪等[29]钻研批注，Ta增长增长初生α相比例，削减次生α相，略降低硬度(从约350HV降至320HV)，但显著提高耐侵蚀性，尤其在高温高压环境下(图2d)。Ta通过推进藐幼晶粒形成及不变β相，抑造ω相和α相的析出，显著提高合金的机能不变性。此表，Ta通过调控熔池热动力学，降低热梯度，推进等轴晶形核，实现柱状晶向等轴晶的转变(CET)，显著改善各向同性。

2.2.2 共析型β不变元素

共析型β不变元素(Fe、Cr、Cu、H)通过调控凝固动力学和相变行为，是推进增材造作钛合金柱状晶向等轴晶转变(CET)的沉要蹊径[30-31]。其中，铬(Cr)通过在凝固过程中引发成分过冷，推进藐幼等轴初生晶粒的形成。Byun等[32]选取DED技术造备TC4-xCr合金(Cr含量0wt%~8wt%)，发现随Cr含量增长，马氏体转变受抑，残存β相体积分数从5%增至20%，马氏体晶粒尺寸从约2μm减幼至0.8μm(图3a)。Cr的增长使抗拉强度从950 MPa增至1100MPa，但延长率从15%降至8%，反映出强度提升与延展性降落的衡量。Cr通过增长形核点及调控β相不变性，显著推进等轴晶形成，晶粒尺寸从约90μm减幼至约45μm。此表，Cr改性合金在高温下阐发出更高的抗氧化机能，适于高温结构件利用。

铁(Fe)作为最强的β不变元素之一，通过抑造晶粒成长和加快扩散，是实现微观组织等轴化、改善各向同性的有效元素。Chen等[33]钻研批注，在TC4-Fe合金中，Fe在β晶界富集，抑造β晶粒成长，晶粒尺寸从约100μm减幼至约50μm，同时增长晶格畸变及位错钉扎效应(图3b)。Fe改性合金的断裂韧性提高约20%，硬度从330HV增至380HV，延长率从10%增至13%。Fe通过加快元素扩散，推进α和β片层的等轴化，显著改善微观组织的各向同性。Huber等[34]选取L-PBF技术造备Fe改性的TC4合金，发现Fe含量为2wt%时，合金拉伸强度达1200MPa，延长率约10%，展示出优异的强度-塑性组合，适于高载荷利用场景。

铜(Cu)通过优化熔池热力学和提供形核点，实现柱状晶向等轴晶转变(CET)。Li等[35]钻研批注，L-PBF造备的TC4-xCu合金(Cu含量0wt%~5wt%)随Cu含量增长，抗拉强度从950MPa增至1100MPa，但延长率从15%降至7%，断裂描摹从韧性断裂转变为脆性断裂(图3c)。Cu通过形成Ti?Cu沉淀物及α"相调控微观组织演变，晶粒尺寸从约80μm减幼至约40μm，显著推进等轴晶形成。Wu等[36]进一步发现，Cu增长通过降低熔池热梯度及提高形核速度，实现柱状晶向等轴晶的转变(CET)，并提高抗侵蚀机能。然而，高Cu含量导致脆性相析出，需优化含量以平衡机能。

氢(H)作为一时合金化元素，通过推进形核和诱导相变，是驱动柱状晶向等轴晶转变(CET)的特殊战术。Sun等[37-38]钻研激光溶解沉积(LMD)中H对TC4合金的影响，发现随H含量增长，粗壮柱状晶转变为不规定等轴晶粒，晶粒尺寸从约120μm减幼至约60μm。H原子在晶界富集并通过晶格扩散推进形核，超固溶度时析出氢化物作为形核点，加快晶粒细化。冷却过程中，β转化为δ相，引发体积膨胀及内应力，诱导α'马氏体相变，形成β_H、α_H、δ和α'多相结构(图3d)。Dai等[39]钻研批注,H含量为0.2wt%时，合金拉伸强度达1050MPa，延长率约9%，展示出优良的强度-韧性匹配。然而，高H含量可能导致氢脆，需严格节造。

综上可知，分歧类型的微合金化元素对增材造作TC4钛合金微观组织的等轴化调控拥有显著述用，其主题在于驱动柱状晶向等轴晶转变(CET)并降低各向异性。α不变元素(如O、N、B、C)重要通过提高β转变温度、形成原位加强相(如TiB、TiC)提供强效异质形核点、钉扎晶界抑造柱状晶成长，从而有效推进CET和晶粒细化。β不变元素(蕴含同晶型Mo、Nb、Ta及共析型Fe、Cr、Cu、H)则重要通过降低β转变温度、不变β相、调控凝固热力学(如降低热梯度)以及诱导相变(共析反映或氢化物析出)，在细化α/β片层结构的同时，显著推进等轴晶形成或实现CET。具体而言，同晶型β不变元素(Mo、Nb、Ta)常利用未溶颗；蛉苤室⒌墓浣幸熘市魏瞬⒉槐洇孪嘁砸衷熘闯沙;而共析型β不变元素(Fe、Cr、Cu、H)则通过调控β相不变性、引发共析反映形成沉淀相(如Ti?Cu)、或作为一时合金化元素推进形核来强化等轴化成效。合理选择与搭配这些元素，能在不显著增长资料成本的前提下，有效实现增蚕胙合金组织的精密调控，显著提升资料的综合力学机能与服役靠得住性。

3、表场辅助技术对增材造作Ti-6Al-4V合金微观组织等轴化的影响机造

表场辅助技术通过引入超声振动、激光振荡和剧烈塑性变形等物理场，可能有效调控Ti-6Al-4V(TC4)合金在增材造作过程中的凝固行为和微观组织演变，推进柱状晶向等轴晶的转变(CET)，从而显著提升资料的各向同性和力学机能[40]。以下从分歧表场辅助技术的角度，系统分析其对TC4合金微观组织等轴化的影响机造及其成效。

3.1 剧烈塑性变形

剧烈塑性变形(severe plastic deformation,SPD)技术通过在增材造作过程中或之后引入高应变与位错密度，强烈诱导动态再结晶，是粉碎粗壮柱状晶结构、驱动柱状晶向等轴晶转变(CET)并实现微观组织等轴化的关键后处置战术。SPD通过在增材造作的层间引入高应变和位错增殖，诱导动态再结晶和晶粒细化，有效抑造粗壮柱状晶的形成，实现微观组织的等轴化。常见的SPD技术蕴含激光冲击强化(laser shock peening, LSP)、喷丸强化(shot peening,SP)、机械锤击(mechanical horse power,MHP)和摩擦搅拌加工(friction stir processing,FSP)。

3.1.1 激光冲击强化(LSP)

激光冲击强化(LSP)利用高能量激光脉冲诱导等离子体冲击波，产生高达GPa级的压力和超高应变率(>10? s??)，显著扭转TC4合金的微观组织。Lu等[41]钻研批注，LSP通过诱导位错增殖和亚晶界形成，为动态再结晶提供额表形核位点，使粗壮β柱状晶显著细化，β晶粒尺寸从33.6μm减幼至24.3μm(图4a)。微硬度从约330 HV增至380HV，抗拉强度提升约15%(达1050MPa)，延长率维持在10%以上，展示出优异的强度-塑性平衡。LSP还通过引入残存压缩应力(约300MPa)，显著提高委顿机能和耐侵蚀性。然而，LSP的深层影响受限于冲击波衰减，需优化激光能量和覆盖率以实显旖均的微观组织调控。

3.1.2 喷丸强化(SP)

喷丸强化(SP)通过高速弹丸冲击资料表表，引入压缩应力和塑性变形，会激活大量棱锥型<c+a>位错，通过2种关键作用驱动微观组织等轴化:一是协调较大c轴应变，在纳米晶粒中实现广义塑性流动，突破原始定向成长趋向;二是与基面<a>位错相互作用，形成含基面-棱锥型位错锁(棱柱型<c>和<c+a>位错)的怪异低角度晶界(LAGBs)，该低能量晶界显著提升应变诱导晶界不变性及位错密度。Zhang等[42]钻研批注，SP在L-PBF造备的TC4合金表表诱导约200μm深的压缩应力层，残存应力从拉伸状态(约100MPa)转变为压缩状态(约-250MPa)，晶粒尺寸从约40μm减幼至25μm。力学机能测试显示，SP处置后合金的抗拉强度提高约10%(达1000MPa),委顿寿命耽搁约30%。此表，SP改善了表表粗糙度和耐侵蚀性，适于航空航天结构件的高机能要求。然而，SP的表表强化成效对深层组织影响有限，需结合其他技术以实现整体等轴化。

3.1.3 机械锤击(MHP)

机械锤击(MHP)通过高频振动工具(频率约50~100Hz)冲击资料表表，诱导部门塑性变形和再结晶(图4b)。部门塑性变形诱导合金形成周期性粗晶-细晶交替结构，锤击直接作用区域因动态再结晶形成细晶区，未受直接作用区域保留粗晶区，且不受后续沉积层影响，出现显著周期性特点。同机遇械锤击后引入高密度位错，通过位错缠结形成亚晶界，显微观察显示粗晶区因位错堆积产生大量低角度晶界，而细晶区因再结晶位错密度相对较低，为组织演化奠定结构基础。此表，MHP驱动部门塑性应变与晶粒破碎，表层纵向拉伸塑性应变促使粗晶区晶粒沿锤击方向破碎为藐幼亚晶，中心区域因约束重要通过位错滑移协调应变，保留相对齐全的晶粒状态。Lu等[43]钻研批注，MHP在激光直接能量沉积(L-DED)过程中将β晶粒尺寸降低约40%(从50~30μm)。MHP通过机械能输入增长位错密度，推进等轴晶形核，显著改善各向同性。力学机能测试显示，MHP处置后合金的拉伸强度达1080MPa，延长率提高约20%(至12%)。然而，MHP受限于工具耐磨性和高温不变性，需开发耐高温工具资料以提升工艺合用性。

3.1.4 搅拌摩擦加工(FSP)

搅拌摩擦加工(FSP)通过热机械作用诱导剧烈的塑性变形和动态再结晶，形成藐幼等轴晶粒和双态(α+β)微观组织。Zhang等[44]选取FSP辅助电弧增材造作(WAAM),发现FSP使β晶粒尺寸从约100μm减幼至约20μm,α片层宽度从1.5μm减幼至0.5μm(图4c)。FSP通过搅拌针的高速旋转(约1000r/min)和热输入(约800℃)诱导部门再结晶，形成均匀的等轴晶结构，拉伸强度提高约12%(达1020MPa)，延长率提升约25%(至13%)。FSP还通过细化微观组织和解除气孔缺点，显著提高委顿机能。然而，FSP受限于高温工具资料的可用性和加工区域的几何约束，需进一步优化工艺参数以扩大利用领域。

3.2 超声振动

超声振动通过声流、空化效应和机械振动，调控熔池动力学、均化元素散布、脱气并细化微观组织，显著推进TC4合金凝固过程中的等轴化[45]。具体如下:

3.2.1 超声辅助激光能量沉积

Todaro等[46]钻研了超声辅助激光能量沉积(laser directed energy deposition,LDED)对TC4合金微观组织的影响(图5)。超声振动(频率约20kHz)加强熔池的马兰戈尼对流，降低表表粗糙度约30%，并通过声流和空化效应削减气孔和微裂纹体积分数(从约1%降至0.3%)。超声振动破碎新凝固的树枝晶，增长形核颗粒数量，使β晶粒尺寸从81μm减幼至53μm。力学机能测试批注，超声辅助L-DED样品的显微硬度从330HV增至360HV，抗拉强度提高约10%(达1000MPa)，延长率提升约15%(至11%)。超声振动的细化机造重要源于声空化诱导的部门过冷和晶粒破碎，推进柱状晶向等轴晶的转变(CET)。

3.2.2 超声冲击处置(UIT)

超声冲击处置(UIT)通过高频振荡(约27kHz)诱导表表纳米化和残存应力开释，是增材造作后处置中实现表表层组织等轴化和机能提升的沉要技术。Yang等[47]钻研批注，UIT在L-PBF造备的TC4合金中使单层样品的残存应力降低40%(从150MPa至90MPa)，多层样品降低70%(从200MPa至60MPa)(图6)。UIT通过高频机械振动诱导表表晶粒纳米化(晶粒尺寸从约50μm减幼至20μm)，并推进等轴晶形成，高角度晶界比例从70%增至85%。力学机能测试显示，UIT处置后合金的抗拉强度达1050MPa，延长率提高约20%(至12%)。UIT还通过改善表表质量和解除微观缺点，显著提高委顿寿命。然而，UIT的深层影响有限，需结合其他技术以实现整体微观组织的等轴化。

3.3 激光振荡

激光振荡技术通过动态调控熔池热力学行为，是增材造作钛合金实现晶粒细化、抑造柱状晶成长并驱动柱状晶向等轴晶转变(CET)的关键热场调控战术[48]。Dai等[49]开发了振荡激光溶解沉积技术(蕴含线性、圆形、8字形和无限形振荡)，发现复杂振荡模式显著细化柱状晶(图7)。无限振荡使单路区的初生β晶粒尺寸减幼54.24%，沉叠区减幼42.55%，高角度晶界(HAGB)含量别离从80.96%和79.47%增长到87.29%和89.63%？估慷仍谄叫泻痛怪狈较虮鹄胩岣16.95%和32.37%，延长率提高83.60%和13.77%，实现了优异的强度-延展性组合。

此表，Guo等[50]进一步钻研了激光摆动频率和幅值对TC4合金微观组织的影响。了局批注，摆动频率为10~50Hz、幅值为1~2mm时，熔池热梯度降低约30%，形核速度提高约50%，晶粒尺寸从约90μm减幼至40μm。高频摆动(>50Hz)可能导致熔池不不变，而低频摆动(<10Hz)对晶粒细化成效有限。优化摆动参数(频率30Hz,幅值1.5mm)使抗拉强度达1100MPa,延长率约12%，委顿寿命耽搁约25%。激光摆动通过动态调控能量输入和凝固速度，显著改善微观组织的均匀性和各向同性，适于高机能TC4合金的造备。

综上所述，表场辅助技术通过引入剧烈塑性变形、超声振动以及激光摆动等物理场，可能有效优化增材造作Ti-6Al-4V合金的凝固行为与微观组织结构，显著推进晶粒的细化与柱状晶向等轴晶的转变。具体而言，剧烈塑性变形技术(如激光冲击强化、喷丸强化、机械锤击、搅拌摩擦加工)通过引入高位错密度、亚晶界和动态再结晶，显著减幼晶粒尺寸，提高晶界角度比例，提升合金强杜纂延展性;超声振动技术(如超声辅助激光能量沉积和超声冲击处置)则重要依附声空化和声流效应推进熔池内晶粒的破碎与异质成核，降低气孔含量，显著改善晶粒均匀性和组织致密性;激光摆动技术通过调控熔池热梯度和凝固速度，有效提高形核率、细化柱状晶组织，显著改善组织的各向同性和强韧性匹配。因而，合理当用并精密调控这些表场辅助技术的能量输入方式和参数，是实现增材造作Ti-6Al-4V合金微观组织精准等轴化调控、突破柱状晶主导结构限度、提升构件综合机能与服役靠得住性的关键蹊径。

4、热处置工艺调控对增材造作Ti-6Al-4V合金微观组织等轴化的影响机造

热处置通过精确节造相变、晶粒成长及组织演变，是实现增材造作Ti-6Al-4V(TC4)合金微观组织等轴化的关键技术[51]。增材造作的TC4合金通常以片层组织为主，其α相描摹、散布及力学机能受热处置工艺参数的显著影响。本节从激光增材造作(LMD、SLM)和电弧增材造作(WAAM)2种重要工艺启程，系统分析热处置对TC4合金微观组织细化与等轴化的调控机造及成效。

4.1 激光增材造作钛合金热处置工艺

激光增材造作通过高能量密度激光实现急剧溶解与凝固，赋予TC4合金怪异的微观组织特点，但也带来粗壮β柱状晶及非平衡相态的挑战。热处置通过调控相变和晶粒成长，可能有效优化微观组织，实现等轴化及机能提升。

4.1.1 激光溶解沉积(LMD)热处置

激光溶解沉积(LMD)选取高功率激光和同轴送粉技术实现近净成形，但急剧溶解与凝固导致粗壮β柱状晶(尺寸为100~200μm)及针状α'马氏体或α相，降低资料的延展性和各向同性。Qin等[52]钻研了循环热处置对LMD造备TC4合金微观组织的影响(图8a)。通过在850℃进行2~8次循环热处置，α片层的均匀宽度从0.8μm增至9μm,长度从35μm减幼至28μm,部门针状α相转变为短棒状α相，显著改善塑性(延长率从8%增至12%)。循环热处置通过反复加热和冷却诱导α相分化与再结晶，推进β晶界处等轴α晶粒的形核，晶粒尺寸从约120μm减幼至约60μm，高角度晶界(HAGB)比例从65%增至80%。力学机能测试显示，拉伸强度维持在950MPa左右，延长率提升约50%，展示出优异的韧性加强成效。

此表，LMD造备的TC4合金通过固溶处置(如950℃/2h水淬)结应时效处置(如750℃/4h空冷)，可进一步优化微观组织。Xu等[53]钻研批注，固溶处置使α'马氏体分化为藐幼的α+β双相结构，β晶粒尺寸从约150μm减幼至70μm，时效处置进一步推进等轴α晶粒的形成。处置后合金的抗拉强度达1000MPa，延长率达13%，加工硬化能力提高约20%，适于高机能航空航天部件的利用。然而，高温固溶可能导致晶粒轻微粗化，需精确节造热处置参数以平衡强杜纂韧性。

4.1.2 选区激光溶解(SLM)热处置

选区激光溶解(SLM)因其极高的冷却速度(10?~10? K/s)，形成超细非平衡微观组织，蕴含β柱状晶(尺寸为50~100μm)及针状α'马氏体，导致高强度但低延展性[54]。Zhang等[55]在850~900℃进行亚转变热处置，发现α'马氏体齐全分化为片状α+β结构，α片层宽度从0.5μm增至1.2μm，晶粒尺寸从约80μm减幼至40μm。此过程通过调控相改观力学，推进α相的均匀散布和晶粒细化，延长率从6%增至10%，抗拉强度维持在1050MPa左右。热处置保留部门柱状晶结构，但通过增长形核点和抑造晶粒长大，显著改善各向同性。

进一步地，固溶处置结应时效(如910℃/8h水淬+750℃/4h炉冷)可形成初生α和转化β的双相结构(图8b)。Vilaro等[56]钻研批注，固溶处置使β晶粒尺寸从约100μm减幼至50μm，时效处置诱导等轴α晶粒的析出，高角度晶界比例从70%增至85%。处置后合金的抗拉强度达1100MPa，延长率达12%，加工硬化能力提高约25%，展示出优异的强度-韧性组合。超转变热处置(如950℃以上)通过齐全再结晶进一步推进β晶粒等轴化，晶粒尺寸减幼至约30μm，但需警惕高温下晶粒粗化风险。SLM热处置的优化需综合思考温度、保温功夫及冷却速度，以实现微观组织的精准调控。

4.2 电弧增材造作钛合金热处置

电弧增材造作(WAAM)选取电弧作为热源，能量输入较高但冷却速度较低(10?~10? K/s)，易形成粗壮柱状晶组织，β晶粒尺寸通常在200~500μm，显著影响资料的各向同性。热处置通过调控相变和晶粒成长，可显著细化微观组织并推进等轴化。

4.2.1 WAAM热处置工艺

Wang等[57]选取930℃/1h水淬+800℃/2h空冷的两步热处置工艺,钻研其对WAAM造备TC4合金微观组织的影响。了局批注，热处置后形成均匀散布的藐幼晶界α(α_G_B)、初生α(α_p)及分散次生α(α_s)，β晶粒尺寸从约300μm减幼至100μm,α片层宽度从2μm减幼至0.8μm(图9a)。力学机能测试显示，抗拉强度从900MPa增至980 MPa,延长率从8%增至13%,展示出显著的机能提升。两步热处置通过急剧冷却抑造β晶粒长大，并通过期效推进等轴α晶粒的析出，高角度晶界比例从60%增至80%，显著改善各向同性。

4.2.2 应力解除退火与热等静压

应力解除退火(如600℃/2h空冷)通过开释增材造作过程中引入的残存应力(约150~200MPa)，显著加强TC4合金的塑性而不引起晶粒粗化。Bermingham等[58]钻研批注，应力解除退火使WAAM造备TC4合金的延长率从7%增至11%，抗拉强度维持在950MPa左右，晶粒尺寸不变在约150μm。热等静压(HIP,900℃/2h,120MPa)通过高压作用进一步削减微观缺点，如气孔和微裂纹，体积分数从1%降至0.2%(图9b),但对晶粒尺寸和力学机能的提升有限，延长率仅提高约5%。HIP处置后，α片层略增宽(从1~1.5μm)，但未显著推进等轴化。WAAM热处置的优化需结合多步热处置工艺，以实现晶粒细化、缺点解除及等轴化的协同调控。

从上述总结能够发现，热处置作为增材造作Ti-6Al-4V合金微观组织等轴化调控的关键战术，其主题在于解决分歧工艺(LMD、SLM、WAAM)形成的粗壮柱状晶问题，驱动其向等轴晶组织转变。针对激光溶解沉积(LMD)与选区激光溶解(SLM)造备的合金，通过循环热处置或亚转变热处置，可能显著推进针状α'马氏体的分化和细化，诱导片状或短棒状α相的形成，显著减幼晶粒尺寸，提高资料延展性与各向同性[59]。固溶结应时效处置进一步优化了微观组织结构，提升了初生α和转化β相的比例与散布均匀性，提高了高角度晶界比例和加工硬化能力，获得了强杜纂韧性的优异匹配。对电弧增材造作(WAAM)造备的TC4合金，通过适当的两步热处置工艺，显著细化了β晶粒尺寸并诱导了大量均匀散布的藐幼α相析出。应力解除退火和热等静压(HIP)则别离降低残存应力和削减内部缺点，进一步提高了合金的塑性和均匀性，但对晶粒尺寸影响相对有限。因而，合理设计热处置工艺参数，实现晶粒细化、等轴化与机能优化的协同调控，对于增材造作TC4合金的高机能化和现实工程应器拥有沉要意思。

5、瞻望

增材造作TC4合金在航空航天、生物医疗等高端造作领域中展示出宽泛的利用远景,然而其微观组织通常以粗壮柱状β晶粒和针状α'马氏体为主，导致各向异性显著、综合力学机能受限。实现组织细化与等轴化成为提升TC4合金服役机能的关键。本文系统总结了微合金化技术、表场辅助工艺以及热处置步骤在调控增材造作TC4合金微观组织等轴化方面的最新钻研进展，未来的发展方向可聚焦于以下方面:

目前，多元素微合金化钻研面对尝试维度高、变量耦合复杂等挑战，传统“经验设计+试错法”效能低，未来可索求通过高通量热力学/动力学仿照结合机械进建构建“成分-组织-机能”映射数据库，提升微合金设计的预测能力。具体步骤蕴含:在幼样本前提下选取支持向量机等算法，进建Ti、Al、Mo、V等微量元素的协同作用对晶粒尺寸和α/β相比例的影响，从而实现微观组织的精准预测与反向设计。

当前超声、电磁等表场设备在增材造作中存在功率密度不及、结构重大等问题，难以适配复杂构件的造作需要。未来钻研可聚焦在轻量化表场作用单元的开发上，通过结构优化使其更易于集成到现有造作系统。同时，结合多物理场数值仿照步骤，在成形过程中对表场的作用方式与时空散布进行优化调控，从而更精准地过问资料的熔融流动与组织成长过程。

在增材造作中，传统热处置普遍存在“热过程滞后于成形蹊径”问题，未来能够打造“成形-热汗青联动模型+工艺反馈数据库”系统。具体来说，就是在典型的增材造作过程中，整合实时温度监测、数值仿照以及动态检测等伎俩，搭建起构件热汗青的数据库。在此基础上，借助相宜的数值优化步骤，实现后续热处置工艺的动态适配，从而更好地提升资料组织的均匀性和晶粒的调控成效。

总体而言，增材造作TC4合金的组织调控技术正朝着多学科交叉融合的方向发展，未来需通过资料设计、工艺创新与设备升级的协同发力，为高端领域的轻量化、高靠得住性需要提供主题资料支持。

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（注，原文标题：增材造作Ti-6Al-4V合金微观组织等轴化调控钻研进展）