【摘要】 本文通过氧氮氢分析仪检测激光粉末床熔合成形Ti-6Al-4V合金的氢含量变化，揭示电解充氢对材料力学性能的影响机制，提出沉积方向优化策略，为航空航天领域增材制造提供质量控制方案。

摘要：通过激光粉末床熔合（L-PBF）工艺制备的Ti-6Al-4V合金，在航空航天和生物医学领域应用广泛。本文结合氧氮氢分析仪等检测手段，揭示氢元素对增材制造钛合金性能的影响规律，为工业质量控制提供数据支撑。

 

一、Ti-6Al-4V合金的行业应用与技术挑战

作为典型α+β双相钛合金，Ti-6Al-4V凭借高强度密度比（>4.4g/cm³）和600℃高温稳定性，已成为航空发动机叶片、骨科植入物的首选材料。然而激光增材制造过程中，氢元素的渗透易引发氢脆现象，导致零件力学性能下降30%以上（图1）。

Ti-6Al-4V合金激光粉末床熔合实验装置及沉积方向示意图

图1 拉伸试样的二维图(a)沉积部分的数字宏观图(b)和通过线切割工艺获得的拉伸试样(c)

 

二、实验方法与检测技术突破

研究团队采用尺寸252×252×20mm³钛基板，在10⁻³Pa真空环境下通过电子束预热控制成形质量。通过氧氮氢分析仪（精度±0.0001wt%）测得：

1.原料粉末氧含量0.0905wt%、氢含量0.00264wt%

2.电解充氢24小时后，氢含量激增140倍至0.37wt%（图2）

配合SEM显微分析发现，XOY方向成形件因层间结合缺陷，其氢脆敏感性比XOZ方向高18%-22%，这与传统锻造工艺呈现相反规律。

电解充氢前后氧氮氢含量XRD对比数据

图2充氢1d后Ti-6Al-4V合金试样XOY方向的氧、氮、氢含量(d) - (f)和原粉(a) - (c)、氧- (a)和(d)、氮- (b)和(e)、氢- (c)和(f)

 

三、氢致失效机理与工艺优化

1.​相变分析：氢固溶形成δ-TiHx氢化物，导致α相晶格畸变率＞2.3%

2.表面特性：充氢后粗糙度Ra值从10.1μm增至14.5μm，裂纹萌生概率提升

3.工艺改进：调整激光功率（200-300W）和扫描速度（800-1200mm/s），可降低氢渗透率40%

研究证实（文献[1]），采用梯度沉积策略可使拉伸强度恢复至1100MPa，延伸率提高至9.8%，优于传统打印路径。

 

四、质量控制建议

1.建立氧氮氢分析仪在线监测体系，控制氢含量＜0.005wt%

2.优先采用XOZ方向沉积工艺

3.后处理增加真空退火（650℃/2h），氢去除效率达92%

 

参考文献：[1] Wangping Wu, Guang He, Jiaqi Huang, Ao Zhang, Xiliang Liu, Zhong Ouyang, Zilong Sun, Li Guan, Song Chu, Peng Li, Peng Jiang, Yi Zhang, Influence of electrochemically charged hydrogen on mechanical properties of Ti–6Al–4V alloy additively manufactured by laser powder-bed fusion (L-PBF) process, Materials Science and Engineering: A, Volume 866, 2023, 144339,

 

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