● 摘要
TB6高强近β钛合金主要用于制造飞机机身、机翼和起落架等关键承力构件。激光熔化沉积增材制造突破钛合金“铸造+锻造+机械加工+焊接”传统制造方式成本高、周期长、材料浪费大的限制，在高性能大型复杂整体构件制造领域有广阔应用前景。移动熔池约束凝固行为及构件晶粒形态演化规律是激光增材制造研究的材料基础问题，也是建立构件不同部位晶粒形态、取向预测和主动控制技术的基础。
本文从熔池形状、对流、传热等激光超常冶金动力学特性和超高温度梯度、强约束下移动熔池局部凝固组织及其形成机制两个方面研究了TB6钛合金激光熔化沉积凝固行为。初始沉积道具有对称形熔池形状；后续沉积道因两侧温度梯度差异导致非对称马伦格尼对流，具有待沉积侧高出的倾斜形熔池形状；样品边缘沉积道在重力对流作用下具有向外倾倒形熔池形状。熔池顶部未全熔粉末异质形核、底部残留晶粒定向外延生长是两种主要晶体形核/长大机制；熔池局部凝固组织可分为相应的等轴区和外延区。
基于已有研究结果，本文以熔池截面轮廓及其局部凝固组织为基本单元，发明“纸面沉积”画图法，按名义搭接率为50%的特殊“短光栅”激光扫描方式，再现了钛合金激光熔化沉积由基体全等轴晶组织演化为“钢筋条强化混凝土形”晶粒组织和对称空间晶粒取向的过程，发现了宽窄大柱晶的成形机制是在沉积道间外延区重叠跨层连续搭接形成的“定向生长通道”中晶体外延生长择优取向，大柱晶“定向生长通道”的宽度取决于熔池形状、外延区形状和扫描方式。
本文以此提出一种用熔池及其外延区二维轮廓线作为单元，按实际扫描搭接方式进行“纸面沉积”的钛合金激光熔化沉积空间晶粒形态预测方法，以名义搭接率同样为50%的特殊“短光栅”扫描方式沉积TB6钛合金板状样品进行。样品具有“钢筋条强化混凝土形”晶粒组织和晶粒取向空间对称性，宽窄大柱晶Pw和 Pn纵向贯穿在由等轴晶和柱晶上下交替组成的“竹节形”晶粒组织B中，以PwBPnB为单元沿偏移方向周期排列，与预测结果高度一致，证明以轮廓线进行二维“纸面沉积”是一种有效的钛合金激光增材制造空间晶粒形态预测方法，可以为构件不同部位晶粒形态、取向主动控制提供依据。