基于LPBF增材成形与MIG焊技术的Ti-6Al-4V/AlSi10Mg双金属材料制备学习体会

文献概况与研究背景

支江泽等发表于《热加工工艺》2026年第55卷第7期的这篇文献，探索了两种制备Ti-6Al-4V/AlSi10Mg双金属材料的技术路径：一种是在Ti-6Al-4V基板上采用激光粉末床熔融（LPBF）技术沉积AlSi10Mg粉末，另一种是将Ti-6Al-4V基板与LPBF成形的AlSi10Mg板材对接后采用MIG焊连接。研究由中北大学材料科学与工程学院完成，受山西省专利转化专项计划和山西省回国留学人员科研资助项目支持。

钛铝合金双金属材料的制备是增材制造和异种金属连接领域的前沿课题。Ti-6Al-4V（TC4）是航空航天领域最常用的钛合金，具有优异的比强度和耐高温性能；AlSi10Mg是铝合金增材制造中最常用的粉末材料，具有良好的铸造性能和成形性。两种材料的组合可以在同一构件上实现"钛合金承力、铝合金减重"的功能分区，在航空航天、医疗器械和高端装备制造领域具有广阔的应用前景。

核心实验设计与对比分析

两种工艺路径的对比

界面结合机理的深入分析

LPBF工艺形成的钛/铝界面呈液-液结合特征，这一现象的物理机制是：LPBF过程中，激光逐层熔化AlSi10Mg粉末，第一层粉末熔化时与Ti-6Al-4V基板接触，基板表面局部熔化形成液态金属，与熔化的铝合金粉末混合后凝固形成界面。由于LPBF的逐层沉积特性，每一层的熔池深度和宽度都受到激光功率、扫描速度和铺粉厚度的影响，导致界面形貌不均匀。

MIG焊工艺中钛/铝界面主要为固-液结合，这是因为MIG焊的热输入较大，但热量主要集中在焊缝区域，钛基板表面并未完全熔化，而是处于固态或半固态状态。液态铝合金熔池与固态钛基板接触后凝固，形成固-液界面。这种界面结合方式虽然不如液-液结合牢固，但界面较为平整，有利于应力均匀分布。

力学性能差异的根源

LPBF试样的抗拉强度（170 MPa）和延伸率（2.56%）均优于MIG焊试样（160 MPa和0.94%），这一差异可以从以下方面解释：

1. 界面质量：LPBF的液-液界面虽然形貌不均匀，但界面结合强度较高，因为液态金属与液态金属的混合更加充分，原子扩散距离更长，形成了更牢固的化学键合。
2. 界面反应层：钛铝合金在焊接和增材过程中都会形成Ti-Al金属间化合物（如TiAl、TiAl₃等），这些化合物的硬度和脆性会影响界面性能。LPBF的低热输入和快速冷却抑制了金属间化合物的过度生长，而MIG焊的高热输入可能促进了脆性相的形成。
3. 残余应力状态：LPBF的逐层沉积过程会产生复杂的残余应力分布，但快速冷却有利于应力松弛；MIG焊的集中热输入可能导致较大的残余拉应力，降低接头的延伸率。

关键技术要点解读

LPBF工艺参数对界面的影响

LPBF工艺中，激光功率、扫描速度、铺粉厚度和扫描策略等参数直接影响熔池的尺寸和冷却速率，进而影响界面形貌和组织。文献中未详细给出LPBF的具体工艺参数，但从7.2~9.5 μm的界面晶粒尺寸可以推断，LPBF工艺采用了较高的冷却速率（通常>10⁴ K/s），这有利于细晶组织的形成。

在实际LPBF工艺中，Ti-6Al-4V基板表面的预处理（如喷砂、酸洗）对界面质量有重要影响。基板表面的氧化层（TiO₂）和吸附物会阻碍液态铝合金与钛基板的润湿，导致界面结合不良。因此，LPBF前的基板表面处理是确保界面质量的关键工序。

MIG焊工艺参数对界面的影响

MIG焊连接Ti-6Al-4V与AlSi10Mg时，焊接参数的选择需要兼顾两侧材料的特性。钛合金的导热系数（约6.7 W/(m·K)）远低于铝合金（约200 W/(m·K)），这意味着焊接热量在钛侧的扩散速度远慢于铝侧，导致熔池形状不对称——铝侧熔池宽而浅，钛侧熔池窄而深。这种不对称的熔池形状可能导致钛侧未熔合或铝侧烧穿的缺陷。

文献中MIG焊试样采用5083-Al焊丝作为填充材料，这是一个值得讨论的选择。5083铝合金与Ti-6Al-4V的冶金相容性较差，焊接过程中容易形成脆性的Ti-Al金属间化合物。文献中MIG焊试样较低的延伸率（0.94%）可能与界面脆性相的形成有关。

与工程实践的结合思考

钛铝合金双金属材料的应用场景包括：航空航天领域的混合材料结构件（如钛合金承力框架+铝合金蒙皮）、医疗器械领域的骨科植入物（钛合金骨板+铝合金填充体）、以及高端装备制造中的功能梯度材料。这些应用场景对双金属材料的界面结合强度和疲劳性能提出了严格要求。

从工程化角度分析，LPBF和MIG焊两种工艺各有优劣：

• LPBF工艺：适合复杂几何形状的制造，可以实现功能梯度设计；但设备成本高（LPBF设备价格通常在500~2000万元），且Ti-6Al-4V基板的表面处理成本高。
• MIG焊工艺：设备成本低，适合大批量生产；但焊接变形控制困难，且钛铝合金焊接的冶金相容性差，接头性能有限。

在实际工程应用中，还需要考虑以下因素：

• 热循环对界面性能的影响：LPBF的多层沉积过程会产生多次热循环，可能改善界面结合质量；MIG焊的单次热循环可能导致界面应力集中。
• 服役环境对界面的影响：高温、腐蚀等服役条件可能加速界面金属间化合物的生长，降低界面强度。
• 疲劳性能：文献未涉及疲劳性能测试，而双金属材料在实际应用中往往承受循环载荷，疲劳性能是关键评价指标。

关键疑问与延伸思考

文献中LPBF试样铝合金侧的显微硬度低于MIG焊试样，这一现象值得深入探讨。LPBF的快速冷却通常有利于细晶强化和沉淀强化，铝合金侧硬度应较高而非较低。可能的解释是：LPBF过程中Ti-6Al-4V基板局部熔化导致钛元素向铝合金侧扩散，改变了铝合金侧的化学成分，降低了其硬度。这一假设需要通过EDS（能谱分析）和SEM-EBSD（扫描电镜-电子背散射衍射）分析来验证。

此外，文献未涉及两种工艺制备的双金属材料在循环载荷下的疲劳性能对比。钛铝合金双金属材料在实际应用中往往承受交变载荷，疲劳性能是决定其使用寿命的关键因素。建议后续研究补充疲劳试验，特别是关注界面区域的疲劳裂纹萌生和扩展行为。

学习心得与启示

这篇文献的研究价值在于系统对比了两种钛铝合金双金属材料制备工艺的性能差异，为工艺选择提供了实验依据。LPBF工艺在界面结合质量和力学性能方面表现更优，但MIG焊工艺在成本和适用性方面具有优势。这一对比研究提醒我们：在双金属材料制备中，工艺选择不应仅考虑单一性能指标，而应综合考虑界面质量、力学性能、生产成本和服役环境等多维度因素。未来，将LPBF的增材制造灵活性与MIG焊的低成本优势相结合，开发"LPBF成形+MIG焊连接"的混合制造工艺，可能是钛铝合金双金属材料工程化的有效路径。