引言

近年来，海洋经济建设发展成为推动高质量发展的重要部门，海洋产业系统不休美满，涵盖海洋渔业、港口物流、海洋制作设备等多个领域[1-2]，而钛合金以其资料轻质、比强度高及优异的耐侵蚀机能，被誉为“新型海洋金属资料”[3]，在海洋经济建设发展中阐扬重要作用。Ti80合金是我国自主研制的近a钛合金，其成分为Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo，国标TA31，因其优异的机能，可用于高压容器、深潜器的耐压壳体、船舶焊接结构件等[4]。电弧熔丝增材制作(WAAM)是金属增材制作的方式之一，以电弧为热源，金属丝为原料，在自动化和数字化技术的援手下，已被利用于各类工业领域[5-8]。WAAM的利益蕴含高沉积速度、高资料利用率、短出产周期等。较高的沉积速度能够提逾越产效能，高效的资料利用率能够有效降低出产成本[9]。然而，在WAAM制作过程中，较快的冷却速度会导致不均匀组织状态的天生，资料的各向异性显著[10]，在分歧方向上的力学机能存在差距
；平】档萚11]在钻研钛合金电弧增材制作工艺中指出，由于增材过程中的冷却速度过快，钛合金组织中易出现马氏体、针状α相、魏氏体相称。同时，电弧增材制作钛合金构件的残存应力大，理论粗糙度高，尺寸精度低也是限度钛合金资料宽泛利用的重要成分。为此，钻研人员采取了多场能复合电弧增材(如激光-电弧复合增材(LAHAM)[12]、超声-电弧复合增材(UAHAM)[13]以及磁场-电弧复合增材(MAHAM)[14])等步骤来优化WAAM工艺的不及，使组织越发均匀，晶粒更细化，有效降低了资料力学机能的各向异性。

本钻研以Ti80合金为钻研对象，选取CMT-WAAM和 LCMT-WAAM两种工艺制备钛合金试样，对比钻研两种分歧工艺下Ti80合金微观组织状态、孔缺点散布、力学机能的各向异性以及拉伸断裂机理，以期为Ti80合金在船舶重工业领域的发展提供理论支持。

1、试验资料及步骤

1.1试验资料

原料选取?1.2mm的Ti80丝材，选取CMT-WAAM工艺与LCMT-WAAM工艺进行钛合金熔丝增材，其化学成分见表1，以Ti80钛合金板材为成形基板，基板尺寸为200mm120mm6mm。

表1 Ti80合金化学成分

Tab.1 Chemical composition of Ti80 alloy%

1.2试验步骤

本试验中增材制作设备蕴含激光器、电源、送丝系统及CMT电弧增材制作系统，其中激光器选取IPG 10kw光纤激光器，焊接电源选取Fronius CMT焊机，机械人系统为KUKA六轴机械人。图1为CMT-WAAM工艺和 LCMT-WAAM工艺增材蹊径示意图。CMT-WAAM工艺中电流为110A，电弧电压为14V，送丝速度为1000mm/min;LCMT-WAAM工艺中电流为85A，电压为14V，送丝速度800 mm/min，激光功率为1500W。

选取CMT-WAAM工艺和LCMT-WAAM工艺制备Ti80合金堆积体，用电火花线切割切出Ti80合金试验试样，选用砂纸对试样理论进行打磨、抛光。选取金相显微镜(MS900BD)对Ti80钛合金微观组织进行观测，选取显微CT仪(SKYSCAN1272)对试样进行扫描，观测两种工艺下Ti80合金的孔缺点散布情况，选取全能拉伸机(CMT5205)对拉伸试样进行力学机能试验,选取扫描电镜(ApreoS HiVac)对试样断口描摹进行分析。

1.3取样方式

在两种工艺制备的Ti80合金中，沿平行于沉积方向(X方向)和垂直于沉积方向(Z方向)各取3个试样，取样示意图及试样尺寸见图2。对12个试样进行编号，见表2。

表2室温拉伸试样编号

Tab.2 Specimen identification for room-temperature tensile tests

2、试验了局与分析

2.1微观组织

图3为CMT-WAAM工艺Ti80合金微观组织。CMT-WAAM工艺Ti80合金X方向的微观组织由等轴状初始α相、β相和针状马氏体α相组成，见图3a;在热循环的影响下，初始α相转变为β相，初始α相的比例和尺寸都减小，从而形成了初始α相、少量针状α相和β相的混合物[15];CMT-WAAM工艺Ti80合金Z方向的显微组织由针状α相、α'相和少量β相组成，见图3b。在增材过程中，初始α相和针状α相转变为β相，在随后的急剧冷却过程中部门β相通过无扩散转变为针状 α ′相,而随着冷却速度降低,其余大部门β相通过扩散转变为针状α相[16]。CMT-WAAM工艺使用电弧作为热源时能量输入高,会导致熔池的热流方向单一,热量重要沿沉积方向传导，钛合金的成形过程中，晶粒的成长方向和热流方向一致，在Z方向上形成大量柱状晶，而层间热循环不及以有效打断柱状晶陆续成长，导致强织构形成[17]，从而造成X和Z方向的微观组织差距较大。同时，由于热传导蹊径分歧，X方向热量更容易散向周围空气，而Z方向上冷却速度较慢[18]，进一步加剧了微观组织组织的各向异性。

图4为LCMT-WAAM工艺Ti80合金微观组织图？Ｄ芄豢闯，显微组织均出现为网篮组织，且晶粒粗壮，由长条状α相和针状马氏体α'相组成。LCMT-WAAM工艺制备的Ti80合金在X和Z方向上的组织特点和尺寸越发靠近，这是由于在激光和电弧的双热源作用下，扭转了熔池温度场和流动场的散布，激光的高能量密度与急剧冷却效应促使晶体在多方向上成核，突破了单一方向柱状晶的陆续成长趋向[19]。在复合热源的作用下，熔池经历更为复杂的热循环过程，部门重熔与再凝固过程产生越发频仍，推进了等轴晶的形成进而减弱了织构强度，LCMT-WAAM工艺有效改善微观组织的各向异性[20]。

2.2孔缺点分析

图5为两种工艺制备的Ti80合金的Micro-CT图，左边阴影图片为Ti80合金试样合金横截面扫描图，将所有截面扫描图进行重构得到钛合金试样部门的三维重构图。图5a能够看出，在CMT-WAAM工艺试样中存在较大的孔缺点，三维重构图中发现孔缺点在试样的中部地位，由于CMT-WAAM工艺中单一热源的作用，熔池温度散布不均匀，容易产生部门过热或冷却过快的区域，导致气体未实时逸出而形成孔缺点[21];图5b能够看出，LCMT-WAAM工艺在激光和电弧双热源的作用下，熔池温度更高且更均匀，部门温度梯度减小，熔池对流和搅拌效应加强，推进熔池内气体有效排出，因而资猜中的孔缺点体积减小[22]。钛合金资猜中较大的孔缺点会粉碎资料的陆续性，使有效承载面积减小，在受力时容易在孔缺点处产生应力集中,导致资料的力学强度降落,同时在受到冲击或振动时,裂纹更容易在孔周围萌生和扩大，使钛合金的韧性降低，抵抗断裂的能力减弱。

2.3力学机能分析

图6和图7别离为LCMT-WAAM工艺、CMT-WAAM工艺制备的 Ti80合金在 X和 Z方向的应力-应变曲线及力学机能数据？Ｄ芄豢闯，CMT-WAAM工艺制备的 Ti80合金在抗拉强度和屈服强度均略高于 LCMT-WAAM工艺,伸长率相近,但CMT-WAAM工艺 Ti80合金力学机能的各向异性大,会导致资料的安全性降低，委顿职能降落。选取下式对两种工艺制备 Ti80合金的各向异性值进行推算:

式中, σ_x为 X方向强度; σ_z为 Z方向强度; ε为各向异性值。两种工艺制备的Ti80合金各向异性值见表3？Ｄ芄豢闯,选取 LCMT-WAAM工艺制备的 Ti80合金在抗拉强度、屈服强度和伸长率的各向异性均低于CMT-WAAM工艺，别离降低了5.0%、2.5%和26.3%,有效降低了Ti 80合金力学机能的各向异性。在激光和电弧的复合热源下，引起了更强的熔池流动与对流搅拌，克制了单一方向柱状晶的成长 [23],减弱了钛合金的织构强度,使钛合金在 X和 Z方向上的组织更均匀，进而使两个方向上的力学机能越发靠近，钛合金资料力学机能的各向异性降低。

表3 Ti80合金力学机能

Tab.3 Mechanical properties of Ti80 alloy

2.4断口描摹分析

图8通过扫描电镜(SEM)观察了两种分歧工艺下试样的断口描摹图？Ｄ芄环⑾，两组试样都有显著的韧窝和明亮的白色扯破棱，出现出典型的微孔荟萃型韧性断裂的微观特点，即在外部载荷力的作用下，微孔洞形核、长大、荟萃，最终相互衔接，导致试样断裂。同时，在试样中发现了微裂纹，这些微裂纹是由拉伸过程引发的二次裂纹，微裂纹的萌生和扩大会加快拉伸试样的失效，但它也会吸收部门拉伸能量并提高塑性[24]。LCMT-WAAM工艺的复合热源在成形过程中显著改善了熔池的热流场和凝固前提，延缓资料微裂纹的萌生与扩大，使试样在拉伸过程中能接受更大的塑性变形，从而形成更深且密集的韧窝，这批注LCMT-WAAM工艺制备的Ti80合金拥有更好的塑性变形能力，这与室温拉伸试验了局相符。

3、结论

(1)选取CMT-WAAM工艺制备Ti80合金，在微观组织上的各向异性显著，在X方向上组织由等轴状初始α相、β相和针状马氏体α相组成，Z方向上组织由针状α相、α'相和少量β相组成，而选取LCMT-WAAM工艺制备的Ti80各向异性有效降低，由长条状α相和针状马氏体α'相组成。

(2)选取CMT-WAAM工艺Ti80合金资猜中存在体积较大的孔缺点，孔缺点会粉碎资料的陆续性，LCMT-WAAM工艺Ti80合金资料孔缺点体积减小，降低了UTS/YS/EI的各向异性并改善均匀性，而强度略有降低。

(3)选取CMT-WAAM工艺Ti80合金微观组织的各向异性造成力学机能的各向异性显著，力学机能的各向异性值均偏高，而LCMT-WAAM工艺Ti80合金的各向异性值有效降低。

(4)两种工艺制备的Ti80合金的断裂方式均为韧性断裂，LCMT-WAAM工艺Ti80合金韧窝深且密集，塑性变形能力更强。

参考文件

[1]孙泽文，刘华初.以新质出产力推动海洋经济高质量发展:理论意蕴与实际蹊径[J].湖南社会科学,2025(1):50-57.

[2]张滨，田达，宋竹满，等.深潜器耐压壳用钛合金保载委顿服役靠得住性钻研进展[J].金属学报,2023,59(6):713-726.

[3]霍国敬，战春鸣，梁园华，等.浅析钛合金在海洋工程中的利用[J].真空,2025,62(1):78-85.

[4]
；，董月成，淡振华，等.我国海洋工程用钛合金近况和发展趋向[J].中国资料进展，2020,39(Z1):585-590，557-558.

[5]MURR L E, GAYTAN S, CEYLAN A, et al.Characterization of titanium aluminide alloy components fabricated by additive manufacturing using electron beam melting[J]. Acta Materialia,2010,58(5):1 887-1 894.

LI R, XIONG J, LEI Y. Investigation on thermal stress evolution induced by wire and arc additive manufacturing for circular thin-walled parts[J].Journal of Manufacturing Processes, 2019, 40:59-67.

GU J, DING J, WILLIAMS S W, et al. The strengthening effect of inter-layer cold working and post-deposition heat treatment on the additively manufactured Al-6.3Cu alloy[J].Materials Science and Engineering, 2016, A651:18-26.

WILLIAMS S W, MARTINA F, ADDISON A C,et al. Wire+ arc additive manufacturing[J].Materials science and technology, 2016, 32(7):641-647.

LIN Z, SONG K, YU X. A review on wire and arc additive manufacturing of titanium alloy[J].Journal of Manufacturing Processes, 2021, 70:24-45.

[10]YU B, WANG P, LIU Y, et al. Anisotropic characterization of wire-arc additive manufacturing Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr alloy:Influence of texture and microstructure[J].Materials Science and Engineering, 2025, A927:148020.

[11]黄健康，吴昊盛，于晓全，等.钛合金电弧增材制作工艺及微观组织调控的钻研近况[J].资料导报,2023,37(14):101-106.

[12]CHEN Y, FU J, ZHOU L, et al. Effect of heat treatment on microstructure and mechanical properties of titanium alloy fabricated by laser-arc hybrid additive manufacturing[J]. Coatings,2024,14(5):614.

[13]YANG Y, JIN X, LIU C, et al. Residual stress,mechanical properties, and grain morphology of Ti-6Al-4V alloy produced by ultrasonic impact treatment assisted wire and arc additive manufacturing[J]. Metals, 2018,8(11):934.

[14]KANG K, LIU Y,REN H,et al. A novel magnetic field assisted powder arc additive manufacturing for Ti60 titanium alloy: Method, microstructure and mechanical properties[J]. Additive Manufacturing,2024,83:104065.

[15]DINGLF,ZHANGYP,ZENGZB,et al.Effects of dwell time and peak stress on low cycle fatigue deformation of Ti6321 alloy and its mechanism[J]. Materials Science and Engineering, 2025,A940:148 584.

[16]LIU D, LEE B, BABKIN A, et al. Research progress of arc additive manufacture technology[J]. Materials,2021,14:1415.

[17]WAINWRIGHT J, WILLIAMS S, DING J.Refinement of Ti-6Al-4V prior-β grain structure in the as-deposited condition via process control during wire-direct energy deposition[J]. Additive Manufacturing,2023,74:103712.

[18]OU W, KNAPP G, MUKHERJEE T, et al. An improved heat transfer and fluid flow model of wire-arc additive manufacturing[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2021, 167:120835.

[19]WANG L, SHI B, CAI X, et al. Microstructure distribution characteristics of LMD-WAAM hybrid manufacturing Ti-6Al-4V alloy[J]. Optics& Laser Technology,2023,165:109567.

[20]CHEN Z, LIANG Y, LI C, et al. Hybrid fabrication of cold metal transfer additive manufacturing and laser metal deposition for Ti-6Al-4V: the microstructure and dynamic/static mechanical properties[J].Materials,2024,17(8):1862.

[21]HARIBASKAR R, KUMAR T S.Defects in metal additive manufacturing: Formation,process parameters, postprocessing, challenges,economic aspects, and future research directions[J]. 3D Printing and Additive Manufacturing,2024,11(4):1629-1655.

[22] CAI C, HE Y, XIE J, et al. Porosity suppression mechanism analysis in narrow-gap oscillating laser-MIG hybrid welding of aluminum alloys based on keyhole stability and molten pool flow behavior[J]. Journal of Materials Research and Technology,2024,32:502-518.

[23]FU Y, DEMIR A G, GUO N. Additive manufacturing of Ti-6Al-4V alloy by micro-laser metal wire deposition with pulsed wave emission:processability and microstructure formation[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2023,126(5):2693-2711.

[24]WCISLIK W, LIPIEC S. Void-induced ductile fracture of metals: experimental observations[J].Materials,2022,15(18):6 473.

（注，原文标题：：：CMT_LCMT电弧熔丝增材Ti80合金力学机能钻研）