Ti-6Al-4V的案例
X射線探查不到缺陷，鈦合金Ti-6Al-4V電子束熔絲增材制造技術獲突破性進展
2020年底，西安智熔利用其自行研發生產的ZcompleX3型電子束熔絲金屬增材制造系統成形的Ti-6Al-4V合金材料，委托中國科學院沈陽金屬研究所進行了X射線探傷以及不同方向和應力比條件下的高周疲勞極限測試，測試結果顯示，試塊內部無X射線可探查的缺陷，試樣采用HIP處理及兩相區固溶+低溫時效的雙重熱處理工藝后，X和Z兩個方向的拉-拉和拉-壓高周疲勞極限均高于Ti-6Al-4V棒材技術標準要求，且數據一致性極好。
△ZcompleX3 熔絲式電子束金屬打印機
△中國科學院沈陽金屬研究所出具的檢測報告
電子束熔絲增材制造（EBAM）技術
電子束熔絲增材制造（EBAM）是3D打印領域以電子束作為熱源的一項尖端技術，在全球范圍內只有美國西亞基公司（Sciaky）、中國西安智熔等少數公司可提供商用產品。
其技術原理如下：在真空環境中，高能量密度的電子束轟擊金屬表面形成熔池，金屬絲材通過送絲裝置送入熔池并熔化，同時熔池按照預先規劃的路徑運動，金屬材料逐層凝固堆積，形成致密的冶金結合，直至制造出金屬零件或毛坯。
△電子束熔絲增材制造技術原理圖
△2017年陜西衛視對西安智熔熔絲式電子束金屬3D打印系統的報道
這項技術的特點非常明顯，真空環境中打印，有效避免雜質元素混入；成型速度快，材料利用率高，不銹鋼熔絲效率最高可達15kg/h，適合大型結構件快速制造；成型工藝一致性好；可進行功能梯度材料增材(FGM)及金屬基復合材料增材制造，還可以加工鎢、鉬、鈮、鉭等難熔金屬。但零件表面精度不高，后期需要使用CNC進行加工。
展開 Ti6Al4V鋸齒狀切屑仿真之我見
目前看了很多做TC4（還有高溫合金之類）的切削仿真，都采用設置切屑層與分離層的方法，更有甚者改變工件的入刀幾何形狀，個人認為這些做法都很不妥，違背了實際切削情況。實際切削時工件不存在分層現象，不存在不同層之間材料參數不同的情況，這種做法完全是為了做仿真而做仿真，為了做鋸齒切屑而做鋸齒切屑。
以上純屬個人觀點，下面是在不分層（整個工件材料屬性一致）的情況下做的TC4切削仿真，無刀具——工件穿透現象，即使切屑彎曲，也不會出現切屑——工件穿透現象。
鈦合金鍛件表面酸洗工藝試驗研究
圖2 Ti-6Al-4V 鍛件樣品酸洗后表面XRD 圖譜
酸洗后Ti-6Al-4V 氫含量變化
氫含量測定結果和對應的腐蝕液成分見表3。
表3 酸洗后H 含量測試結果統計
從表中可以看出，除3#與7#樣品外，其他試樣中殘余H 含量總體相差不大，4#和6#樣品H 含量最低。HF 的含量高顯著提高了Ti-6Al-4V 中氫的吸附，但HNO3 含量的增大，又對氫具有脫吸附的作用。因此，4#和6#可作為最優酸洗備選配方。
酸洗后表面硬度變化
酸洗后試樣的硬度變化匯總見表4。其中，所有樣品表面皆在離散位置，選擇5 處進行硬度測試，每兩個點的距離遠大于壓痕對角線長度的2.5 倍。
表4 酸洗前后樣品表面硬度值(HV0.5)
從酸洗后硬度測試結果可以看出，0#初始試樣表面硬度極高，但經過酸洗后，表面硬度顯著降低。其中，1#試樣表面硬度相對較高，因其酸洗液HF 含量較低，所以導致表面硬化層可能去除并不徹底。其他試樣表面硬度都相差較小，考慮到硬度測試本身的誤差，可以認為，其他試樣表面硬化層都已經全部清除干凈。
通過上述試驗可知最優的酸洗液配方為：（1%～3%）HF+（25%～30%）HNO3，鍛件經過該配方酸洗后，表面如圖3 所示。
圖3 酸洗后表面硬化層示意圖
經測定酸洗后鍛件表面硬化層0.058mm，氫含量0.002%，滿足客戶要求。
結束語
本文通過試驗驗證，在不同配比酸洗液清洗下，對Ti-6Al-4V 鍛件表面硬化層去除的變化，找到了最優的酸洗液配方為（1%～3%）HF+（25%～30%）HNO3(酸洗條件為25℃室溫，酸洗時間15min)，為后續此類鍛件酸洗處理提供了有效的解決方案。
展開 增材制造過程中促進鈦合金的柱狀到等軸過渡和晶粒細化
圖二 凝固過程中熱力學測量
(A) Ti-6Al-4V冷卻速率，50-400mm/min的沉積速度
(B)100mm/min冷卻速率，三個時間間隔圖片
(C) 凝固曲線
圖三 冷卻速率曲線
Ti-6Al-4V，Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr和Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr + La2O3凝固期間在沉積結束時收集的典型冷卻曲線
圖四 熱力學條件下沉積的Ti合金顯微結構
(A-C) 分別是 Ti-6Al-4V、Ti-3Al-6Cr-4Mo-4Zr、Ti-3Al-6Cr-4Mo-4Zr + La2O3 微觀結構
(D) 平均晶粒尺寸 沉積速度 50mm/min
圖五 沉積前后的La2O3尺寸與分布
(A) 沉積前La2O3背散射SEM圖像
(B) 沉積過程中，顆粒形狀變得更加球形化并且尺寸減小
(C) 沉積后的La2O3粒度分布
(D) 在Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr內不同層中分布的La2O3顆粒的面積分數
圖六 Ti-6Al-4V熔池內的溫度分布
(A) 和(B)為基于Bai等人的分析開發的Ti-6Al-4V增材制造傳熱模型，D為動態溫度梯度的新實驗數據
圖七 不同時間間隔AM凝固期間應用的相互依賴模型的原理
t1 ΔTN=0℃，無ΔTCS或溶質擴散到液體中
t2 少量外延生長，G太陡，無ΔTCS，附近顆粒無法激活
t3 G持續減小，ΔTCS<ΔTN，存在小的過冷區
t4 附近無成核粒子存在，柱狀生長
t5
展開 
來至NASA和FAA的AWG 的ls-dyna的Ti-6Al-4V的本構和實驗參數（非常全面）
MAT224_User_Guide-Feb6-2019.pdf
tctt14-2.pdf
南京工大《JMST》：含鐵TC4鈦合金的組織強韌化機理！
Ti-6Al-4V
的廣泛應用歸功于其簡單的化學成分和良好的成形性，以及較好的強度和延展性。人們已經做了大量的嘗試，希望經濟有效地提高Ti-6Al-4V的力學性能，同時保持高比強度。微合金化是一種簡單可行的方法。B的加入能夠促進形核，細化晶粒，提高強度、塑性和疲勞性能，但導致Ti-6Al-4V合金的斷裂韌性較差。已有報道表明，Ti-6Al-4V中添加微量Fe可以改善澆鑄性，降低變形時的流動應力，同時提高強度和斷裂韌性，但是Fe對TC4組織性能的影響機制仍不明確。
南京工業大學的研究人員探討了Fe對
Ti-6Al-4V(TC4-xF)
合金鑄態經均勻化處理后的組織和力學性能的影響，揭示均勻化、熱加工和時效處理合金中有利于屈服強度和斷裂韌性的關鍵組織特征。
展開 Malvern Panalytical Aeris XRD：創新材料結構分析
圖2：Determine background前后之比較
圖3：Score欄位數值代表參考卡號與測試結果擬合程度
相組成分析
本次使用Aeris XRD分析了Ti6Al4V的粉末、冷噴涂后真空燒結涂層兩種狀態。Ti6Al4V粉末狀態下的XRD分析圖譜（請見圖4），經卡號比對出HCP結構之α相與BCC結構之β相，判斷Ti6Al4V為α+β相；α相于35.646°、38.550°、40.699°2θ分別可發現(100)、(002)、(101)結晶方向的peak；而β相則在38.466°2θ可發現(011)結晶方向的peak。而Ti6Al4V冷噴涂涂層經過真空擴散后于XRD繞射峰比對發現了FeTi介金屬相及FeO相，XRD分析結果如圖５。
圖4：Ti6Al4V粉末之XRD圖譜
圖5：Ti6Al4V冷噴涂層經真空擴散后之XRD圖譜
結語
經過Aeris XRD與HighScore軟件分析，確定了Ti6Al4V為α+β相，而Ti6Al4V冷噴涂涂層經過真空擴散后，形成了介金屬相。本文藉由Ti6Al4V粉末、涂層的分析，簡單地介紹Aeris XRD與軟件HighScore Plus的功能。此外，還有晶粒尺寸、Micro strain、殘留應力等更加深入的分析可探索。XRD分析就像廚具與廚藝的關系，Aeris XRD是一項好工具，是得到數據的便捷方法，而如何去運用數據去計算與解釋結果，更是能展現專業的一大學問。
展開 金屬3D打印關鍵科學問題 || 阿貢高級光子源超強X射線揭示氣孔的產生機制 || 雙語
(A) Tableau of representative radiographs in P-V space of Ti-6Al-4V bareplate for a laser spot size of 95 μm, showing the variation in vapor depressionsize and morphology. The vapor depression and melt pool transitions, measuredin the stationary beam experiment (Fig. 2A and fig. S2), are marked withblue and red dashed lines, respectively. (B and C) Vapor depressiondepth as a function of laser power at different scanning velocities for laserspot sizes of 95 μm (B) and 140 μm (C). Error bars indicate SD.
圖3穿過P-V空間的鎖孔形態。（A）激光光斑尺寸為95μm的Ti-6Al-4V裸板P-V空間的代表性射線照片，顯示了蒸汽抑制尺寸和形態的變化。在固定束實驗（圖2A和圖S2）中測量到的蒸汽壓陷和熔池轉變分別用藍色和紅色虛線標記。（B和C）95μm（B）和140μm（C）激光光斑在不同掃描速度下的蒸汽壓陷深度隨激光功率的變化。誤差線SD。
展開 舊瓶裝新酒？金屬漿料直寫3D打印技術現狀
下圖描繪了使用基于甲基纖維素水基溶液的Ti-6Al-4V漿料（固含量達66 vol.%）制成的多孔結構，具有良好的長絲形狀和初始形狀保持。這些樣品的孔隙率在39%到68%之間，孔徑在200 μm到800 μm之間，體積收縮率16.5%。Srivas[2]基于同樣的打印方法，采用添加了殼聚糖、甘油和聚乙二醇（PEG）的乙酸溶液承載Ti-6Al-4V粉末，制備的漿料裝載量為56.5 vol.％，獲得了孔徑為500 μm，總孔隙率為58%的鈦合金支架，燒結收縮率為13%，抗壓強度和彈性模量值分別為39.58 MPa和450 MPa，與松質骨的力學性能相當。Chen[3]報道了一種熱固性的生物聚合物，用作DIW的粘合劑制備出多孔鈦人工骨支架，該支架表現出類似于人皮質骨的有效楊氏模量（20.2 GPa），減輕了不良的應力屏蔽作用，并具有超高的強度（σ= 340 MPa）。
△通過3D纖維沉積的Ti6Al4V支架 （A）頂視圖，（B）側視圖
2018年意大利帕多瓦大學Hamada Elsayed等人[4]通過控制漿料的流變性質，開發了基于水-鈦粉末懸浮液的合適漿料配方，結合液由水、聚乙烯醇（PVA）和聚乙二醇（PEG）組成，采用DIW技術打印出孔隙率高達65％的Ti-6Al-4V支架（下圖），燒結后總收縮量約為40 vol%，壓縮屈服應力范圍在110—130 MPa之間，這些值大大超過了通過SLM 產生的類似Ti-6Al-4V結構的壓縮應力屈服強度，范圍為10–30 MPa。上述實驗的多孔鈦支架在后期生物實驗中都表現了良好的生物相容性，測量結果顯示在鈦支架上有良好的細胞增殖，這是令人欣喜的結果。除此之外，Hamada Elsayed還嘗試了Ti2AlC材料進行漿料直寫打印的可能性。
展開 光學技術深度解析｜詳解選區激光熔化技術
2002年SAE制定了直接沉積Ti-6Al-4V產品航空材料標準AMS4999，2011年將其升版為AMS4999A。此外，美國材料測試協會（ASTM）已發布兩項有關粉末床熔覆鈦合金的標準，分別為ASTMF2924-14：粉末熔覆床工藝增材制造Ti-6Al-4V標準規范和ASTMF3001-14：粉末熔覆床工藝增材制造Ti-6Al-4VELI標準規范，這些規范規定了用於增材制造的粉末、設備及工藝方面的要求。而國內關於SLM標準規范方面的工作卻仍十分欠缺，國內航空工業界仍需付出艱辛的努力。
展開 歐洲采用電弧增材制造工藝成功制造空間探索鈦壓力容器
該壓力容器高約1m，質量約8.5kg，由鈦合金（Ti-6Al-4V）制成，采用電弧增材制造（Wire + Arc Additive Manufacturing，WAAM）工藝沉積。由于能夠直接從數字繪圖到最終結構，WAAM將兩個獨立的部分集成到一個部件中，無需長時間鍛造，并大大減少了機械加工產生的廢料量。
如果按傳統生產，這種組件所需的原材料將是其最終質量的30倍左右。采用WAAM工藝，每件產品節省了超過200kg的鈦合金（Ti-6Al-4V）。這方面還有進一步改進的空間，克蘭菲爾德大學正致力于創新方法，以便更接近最終厚度。在過去十年中克蘭菲爾德大學一直處于該工藝的領先地位。
由克蘭菲爾德大學制造WAAM 形狀，然后送到Glenalmond Technologies公司，在那里進行應力消除、激光掃描、機械加工和超聲波檢測。最終檢驗由Agiometrix進行，使用計算機斷層掃描（CT-scan）進行內部質量分析，并使用光學掃描儀。泰雷茲阿萊尼亞宇航公司（Thales Alenia Space）確保該零件符合機械要求和規范。經過檢查，項目團隊認為該壓力容器達到了應用技術和質量要求。
該團隊目前正在著手制造第二個原型壓力容器，目的是對整個制造周期進行微調，以證明該工藝的可重復性和可靠性，并推動新方法實施應用于飛行硬件。
泰雷茲阿萊尼亞宇航公司增材制造項目研究經理Massimo Chiampi表示：“我們正在尋找一種創新的貯箱制造解決方案，因為傳統的減材加工生產通常需要很長的交付周期。通過這個項目，我們證明了WAAM技術的應用提高了我們產品的競爭力。與采購標準鍛造產品所需的數月時間相比，一件近凈形狀的產品只需幾天就能完成，而且加工工序也在不斷減少。
展開 
這么美的航空發動機葉片，你見過嗎
鈦合金葉片
羅爾斯-羅伊斯trent900鈦合金葉片
航空發動機上常用的轉子葉片以鈦合金（壓氣葉片）和高溫合金（渦輪葉片），較為普遍的壓氣葉片多以Ti-6Al-4V中等強度高損傷容限型鈦合金為主，在鈦合金譜系中，Ti-6Al-4V由于在耐熱、強韌、耐腐蝕、抗疲勞及可加工性方面具有較好的綜合性能，應用的最為廣泛，約占到了全部鈦合金應用的75%以上。
鎳基高溫合金葉片
鎳基高溫合金是現代航空發動機、航天器和火箭發動機以及艦船和工業燃氣輪機的關鍵熱端部件材料(如渦輪葉片、導向器葉片、渦輪 盤、燃燒室等)，也是核反應堆、化工設備、煤轉化技術等方面需要的重要高溫結構材料。
碳纖維復合材料葉片
這種復合結構要比目前普遍使用的鋁、鋼和鈦的合金材料輕一半，強度和耐熱性幾乎相同。
陶瓷材料葉片
GE旋轉陶瓷復合材料的噴氣戰斗機發動機葉片
在渦輪葉片表面涂覆金屬及陶瓷材料，可以提高金屬的耐熱溫度，發動機的性能及安全性，然而這種技術還處于發展階段，但就目前的發展情況來看，這種方法是可靠的。
葉片3D打印技術
GEnx發動機葉片的等比例縮小樣品
激光增材制造修復葉片
羅羅3D打印技術
航空航天制造3d打印大多都是在使用價格昂貴的戰略材料上，比如像鈦合金、鎳基高溫合金等難加工的金屬材料。可以提高材料的利用率，節約昂貴的戰略材料，降低制造成本。
展開 模型分享014——高速水射流對超聲車削溫度場的影響 ￥99
鈦合金車削過程中加工區域溫度升高，會出現金剛石車刀磨損加劇影響加工表面質量的問題，使用冷卻液噴射的方式可以改善車削環境，提高鈦合金加工表面質量和金剛石刀具耐用度，基于ABAQUS仿真軟件建立Ti-6Al-4V鈦合金的水射流冷卻切削模型，研究超聲振動條件下應力和溫度變化規律。
1. 應力場仿真結果
（1）開啟冷卻系統階段
（2）超聲振動切削階段
2. 溫度場仿真結果
（1）開啟冷卻系統階段
（2）超聲振動切削階段
3. 應力場仿真動畫
4.溫度場仿真動畫
通過添加微信或者QQ可獲得答疑
附件內容：CAE文件和INP文件
WeChat：1489785835
仿真軟件：ABAQUS 2022
仿真要點：超聲振動切削、熱力耦合仿真、水射流冷卻、溫度場輸出
展開 助力科研|光學3D表面輪廓儀服務超精密拋光技術發展
《Tribology International》（中科院一區）
Numerical and experimental investigation on the material removal profile during polishing of inner surfaces using an abrasive rotating jet
《Wear》（中科院一區）
Effect of elastohydrodynamic characteristics on surface roughness in cylindrical shear thickening polishing process
《Surface & Coatings Technology》（中科院一區）
Surface polishing and modification of Ti-6Al-4V alloy by shear thickening polishing
中圖儀器誠摯邀請廣大科研老師合作
我們熱切期待參與需要利用光學3D表面輪廓儀對材料、元器件表面進行微觀形貌分析的研究課題。
無論您的研究方向如何，我們都愿意攜手助力，共同完成科學研究的使命，推動中國科研和先進精密制造事業的發展。
展開 #強大的neper-三維voronoi泰森多邊形建立#
Beaudoin,
Study of residual stresses in Ti-7Al using theory and experiments, Journal of the Mechanics and Physics of Solids
, vol. 109, pp. 95-116, 2017.
Yuan, W. Zhang, J. Kim and Y. Liu,
A Nonlinear Grain-based Fatigue Damage Model for Civil Infrastructure under Variable Amplitude Loads, International Journal of Fatigue
, doi:10.1016/j.ijfatigue.2017.07.026, 2017.
Guyon, J.Y. Delenne and F. Radjai,
Matière en grains, book edited by Odile Jacob
, ISBN : 978-2-7381-3709-8, 2017.
Kasemer, M.P. Echlin, J.C. Stinville, T.M. Pollock and P. Dawson,
On slip initiation in equiaxed alpha/beta Ti-6Al-4V, Acta Materialia
, doi:10.1016/j.actamat.2017.06.059, 2017.
Charles, H.T. Nguyen and M.
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