Abstract The α - β titanium alloy VT31 is used in the aerospace industry due to its high strength to weight ratio and good mechanical properties at elevated temperatures. Surface microstructure plays an important role in the mechanical behavior of the material, especially fatigue. In this work, VT3-1 α - β titanium alloy surface microstructure was modified using laser surface heat treatment. Laser surface treatment (LST) was carried out at various laser powers (100−250 W) and scanning speeds (150−500 mm/min). Laser affected zones, surfaces and sub-surfaces were characterized using different techniques. Electron backscatter diffraction (EBSD) analysis of the laser affected zone exhibits a distinct microstructure across the depth of the specimen, and it changes with laser power and scanning speed. At a lower scanning speed and high laser power (200−250 W); almost complete β -containing microstructure was developed at the surface with very high hardness. At an intermediate power (150−200 W), a β -rich surface layer with dendritic features followed by a layer of martensitic microstructure was evident. Interestingly, at high power (250 W) a distinct shiny surface with a lower surface roughness was observed. Moreover, the microstructure under this condition corresponds to an α -phase (transformed microstructure) which is typical of melted and fast cooled α - β titanium alloy. Finite element analysis of the LST was also carried out to predict thermal history based on which the extent of the laser affected zone across the depth was predicted for various processing parameters and correlated with the hardness variation.

中文翻译：

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α-β钛合金的激光表面处理以开发具有非常高硬度的富β相

摘要 α-β钛合金VT31由于其高强度重量比和良好的高温机械性能而被用于航空航天工业。表面微观结构在材料的力学行为中起着重要作用，尤其是疲劳。在这项工作中，VT3-1 α-β钛合金表面显微组织采用激光表面热处理进行改性。激光表面处理 (LST) 在不同的激光功率 (100-250 W) 和扫描速度 (150-500 mm/min) 下进行。激光影响区、表面和亚表面使用不同的技术进行表征。激光影响区的电子背散射衍射 (EBSD) 分析在样品的整个深度上表现出明显的微观结构，并且随着激光功率和扫描速度的变化而变化。以较低的扫描速度和较高的激光功率（200-250 W）；在具有非常高硬度的表面发展了几乎完整的含β的显微组织。在中等功率 (150-200 W) 下，具有树枝状特征的富含 β 的表面层和紧随其后的马氏体微观结构层很明显。有趣的是，在高功率 (250 W) 下，观察到具有较低表面粗糙度的明显光泽表面。此外，该条件下的显微组织对应于α-相（转变的显微组织），这是熔化和快速冷却的α-β钛合金的典型特征。还进行了 LST 的有限元分析，以预测热历史，基于该分析，针对各种加工参数预测激光影响区域在整个深度上的范围，并与硬度变化相关联。在具有非常高硬度的表面形成几乎完整的含β显微组织。在中等功率 (150-200 W) 下，具有树枝状特征的富含 β 的表面层和紧随其后的马氏体微观结构层很明显。有趣的是，在高功率 (250 W) 下，观察到具有较低表面粗糙度的明显闪亮表面。此外，该条件下的显微组织对应于α-相（转变的显微组织），这是熔化和快速冷却的α-β钛合金的典型特征。还进行了 LST 的有限元分析，以预测热历史，基于该分析，针对各种加工参数预测激光影响区域在整个深度上的范围，并与硬度变化相关联。在具有非常高硬度的表面形成几乎完整的含β显微组织。在中等功率 (150-200 W) 下，具有树枝状特征的富含 β 的表面层和紧随其后的马氏体微观结构层很明显。有趣的是，在高功率 (250 W) 下，观察到具有较低表面粗糙度的明显闪亮表面。此外，该条件下的显微组织对应于α-相（转变的显微组织），这是熔化和快速冷却的α-β钛合金的典型特征。还进行了 LST 的有限元分析，以预测热历史，基于该分析，针对各种加工参数预测激光影响区域在整个深度上的范围，并与硬度变化相关联。在中等功率 (150-200 W) 下，具有树枝状特征的富含 β 的表面层和紧随其后的马氏体微观结构层很明显。有趣的是，在高功率 (250 W) 下，观察到具有较低表面粗糙度的明显闪亮表面。此外，该条件下的显微组织对应于α-相（转变的显微组织），这是熔化和快速冷却的α-β钛合金的典型特征。还进行了 LST 的有限元分析，以预测热历史，基于该分析，针对各种加工参数预测激光影响区域在整个深度上的范围，并与硬度变化相关联。在中等功率 (150-200 W) 下，具有树枝状特征的富含 β 的表面层和紧随其后的马氏体微观结构层很明显。有趣的是，在高功率 (250 W) 下，观察到具有较低表面粗糙度的明显光泽表面。此外，该条件下的显微组织对应于α-相（转变的显微组织），这是熔化和快速冷却的α-β钛合金的典型特征。还进行了 LST 的有限元分析，以预测热历史，基于该分析，针对各种加工参数预测激光影响区域在整个深度上的范围，并与硬度变化相关联。在高功率 (250 W) 下，观察到具有较低表面粗糙度的明显光泽表面。此外，该条件下的显微组织对应于α-相（转变的显微组织），这是熔化和快速冷却的α-β钛合金的典型特征。还进行了 LST 的有限元分析，以预测热历史，基于该分析，针对各种加工参数预测激光影响区域在整个深度上的范围，并与硬度变化相关联。在高功率 (250 W) 下，观察到具有较低表面粗糙度的明显光泽表面。此外，该条件下的显微组织对应于α-相（转变的显微组织），这是熔化和快速冷却的α-β钛合金的典型特征。还进行了 LST 的有限元分析，以预测热历史，基于该分析，针对各种加工参数预测激光影响区域在整个深度上的范围，并与硬度变化相关联。