【摘 要】
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钛合金密度低、比强度高、热稳定性好、耐腐蚀性强、生物相容性优异,广泛应用于航空航天、石油化工、海洋工程、医疗设备等高性能需求工程应用领域。然而,钛合金化学活性大、导热弹性小,是典型的难加工材料。激光定向能量沉积（Laser direct energy deposition,L-DED）是一种以激光为热源,熔化沉积高性能材料的增材制造技术,具有设计自由度高、建造速度快、可成型零件尺寸大和真空环境制造
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钛合金密度低、比强度高、热稳定性好、耐腐蚀性强、生物相容性优异,广泛应用于航空航天、石油化工、海洋工程、医疗设备等高性能需求工程应用领域。然而,钛合金化学活性大、导热弹性小,是典型的难加工材料。激光定向能量沉积（Laser direct energy deposition,L-DED）是一种以激光为热源,熔化沉积高性能材料的增材制造技术,具有设计自由度高、建造速度快、可成型零件尺寸大和真空环境制造等优点,是难加工材料零件成型制造方案之一。然而,LDED成型过程中存在多能量场相互作用,熔池不稳定,容易导致成型零件出现裂纹、孔隙,较低的成形表面质量降低了成型零件的综合性能。作为一种典型的高强度合金,钛合金的主要弱点在于其疲劳强度对应力集中敏感,而高强度构件疲劳失效中80%以上的裂纹是从表面刀痕、划伤或夹杂物等缺陷处起始的。基于上述研究背景,以Ti6Al4V对研究对象材料,采用L-DED成型方法制备了增材试样,分别采用车削、超声滚压（Ultrasonic burnishing,UB）和温度场辅助超声滚压（Ultrasonic burnishing coupled with heat treatment,UB/HT）三种工艺对增材试样进行后处理加工。重点从成形表面完整性、表面改性层微观力学性能、室温拉伸性能和轴向拉压疲劳性能四个方面,对三个制备试样进行对比分析,得出了相关研究结论。主要研究内容和结论包括:（1）UB和UB/HT工艺均可显著提高Ti6Al4V增材试样的成形表面完整性,同时UB/HT处理试样的成形表面完整性更优异。车削加工属于去除材料加工,可以消除试样表面部分裂纹、杂质、沉积轨迹和未熔颗粒,但是对试样表面孔隙、缺陷没有改善作用,同时会在加工表面形成车削痕迹。UB和UB/HT工艺属于非去除材料加工,其工艺机理是通过强迫表层材料产生塑性变形,从表面波峰到波谷流动,实现“削峰填壑”,因此可以显著降低表面粗糙度和孔隙率,同时形成一定厚度的表面改性层,引入残余压应力场。与UB处理试样相比,由于温度场的辅助,材料更容易变形,UB/HT处理试样的表面改性层厚度更大,平均晶粒尺寸更小,表面显微硬度更高。但是,由于试样塑性变形区的残余应力在保温过程中的松弛效应,UB/HT处理试样的表面残余压应力值小于UB试样。对试样表面完整性进行综合对比评价,结果表明:UB/HT处理试样的成形表面完整性更优异。（2）UB和UB/HT工艺均可提高Ti6Al4V增材试样的微观力学性能,同时UB/HT处理试样的微观力学性能更优异。纳米压痕测试结果表明:与UB处理试样相比,UB/HT处理试样的纳米硬度大、压痕深度浅、蠕变变形量小,具有更好的抗变形和抗蠕变性能。计算得到三种不同处理试样的屈服强度,结果证明:UB/HT处理试样的屈服强度最高。（3）UB和UB/HT工艺在提高Ti6Al4V增材试样强度的同时,降低了其室温条件下的拉伸塑性。根据室温拉伸试验结果,车削试样呈现出韧性断口,UB和UB/HT处理试样呈现为韧-脆混合断口。结合室温拉伸应力应变曲线、微观组织和数学模型综合分析,超声滚压处理通过位错强化、晶界强化提高了试样强度,但同时导致应变硬化现象产生,降低了材料塑性。（4）UB和UB/HT工艺均可提高Ti6Al4V增材试样的疲劳强度,同时UB/HT处理试样的疲劳循环次数是UB处理试样的2.5倍。试样断口形貌分析表明,UB和UB/HT工艺均可抑制裂纹的表面萌生,使疲劳源向材料内部转移。UB/HT工艺对疲劳寿命的显著改善是表面质量提升、残余压应力引入、微观组织细化和加工硬化共同作用的结果。
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