以針狀 α’ 馬氏體相為主的微觀結(jié)構(gòu)，例如通過激光粉末床熔融 (PBF-LB) 制造的 Ti-6Al-4V，已知其延展性和韌性較低。在 PBF-LB激光粉末床熔融3D打印過程中，將這種亞穩(wěn)態(tài)微觀結(jié)構(gòu)分解為 α+β 層狀結(jié)構(gòu)，需要通常難以實(shí)現(xiàn)的特定激光方案，或者可能導(dǎo)致晶粒結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不良粗化的進(jìn)行熱處理后處理。

在這里，來(lái)自英國(guó)諾丁漢大學(xué)工程學(xué)院增材制造中心，西班牙加泰羅尼亞技術(shù)大學(xué) (UPC)，材料科學(xué)與工程系，英國(guó)拉夫堡大學(xué)材料系的研究團(tuán)隊(duì)提出了一種形成超細(xì)層狀 α+β 微觀結(jié)構(gòu)的新途徑，并證明了在拉伸強(qiáng)度和延展性方面的相關(guān)優(yōu)勢(shì)。

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研究團(tuán)隊(duì)的方法基于對(duì) Ti-6Al-4V 的組成進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷?，并添?Fe，一種已知的具有高固有擴(kuò)散率的有效 β 穩(wěn)定劑。3D打印后，該合金呈現(xiàn)出以亞穩(wěn)β相為主的微觀結(jié)構(gòu)。研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合使用原位高能同步加速器 X 射線衍射和高達(dá)β相變溫度的高溫顯微鏡來(lái)研究其分解的細(xì)節(jié)。微觀結(jié)構(gòu)演化包括通過 α 相的 ω 輔助成核對(duì)亞穩(wěn) β 相進(jìn)行均勻分解，通過 Fe 在 β 相中的早期擴(kuò)散維持α晶粒生長(zhǎng)。對(duì)這種轉(zhuǎn)變途徑的理解使得 超細(xì)晶粒 α+β 層狀微觀結(jié)構(gòu)的發(fā)展表現(xiàn)出出色的拉伸性能。所提出的方法與增材制造設(shè)備無(wú)關(guān)，為增材制造中高強(qiáng)度合金的開發(fā)提供了一種新穎的合金設(shè)計(jì)策略。

簡(jiǎn)介

通過激光束粉末床 (PBF-LB) 技術(shù)制造鈦 (Ti) 合金，特別是 Ti-6Al-4V，有可能在醫(yī)療和航空航天領(lǐng)域開辟新的應(yīng)用。事實(shí)上，眾所周知，通過設(shè)置不同的激光加工參數(shù)或通過后加工熱處理可以獲得一系列不同的 α/β 相分?jǐn)?shù)和晶粒形態(tài)，從而產(chǎn)生各種強(qiáng)度和延展性組合。

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來(lái)自英國(guó)諾丁漢大學(xué)工程學(xué)院增材制造中心，西班牙加泰羅尼亞技術(shù)大學(xué) (UPC)，材料科學(xué)與工程系，英國(guó)拉夫堡大學(xué)材料系的研究團(tuán)隊(duì)的工作目標(biāo)是獲得超細(xì)層狀顯微組織，在此研究團(tuán)隊(duì)介紹了通過 PBF-LB激光束粉末床3D打印技術(shù)新開發(fā)的四元鈦合金和后續(xù)熱處理的顯微組織演變。

研究團(tuán)隊(duì)研究了Fe 在PBF-LB激光束粉末床加工過程中和后續(xù)熱處理過程中對(duì) Ti-6Al-4V 微觀結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響。先前的工作表明，基于激光的增材制造過程中發(fā)生的固有快速凝固和冷卻速率，使得能夠加工富含β-共析形成物（例如Fe）的Ti組合物，而不會(huì)產(chǎn)生典型的偏析缺陷（即β-斑點(diǎn)）， 否則通常會(huì)在鑄錠制造過程中發(fā)生。此外，已知適量添加 Fe（例如 3 wt.%）會(huì)對(duì)快速凝固產(chǎn)生的亞穩(wěn)態(tài)相的性質(zhì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，而亞穩(wěn)態(tài)相又被認(rèn)為可以提供對(duì)熱處理的靈活響應(yīng)。

研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合原位 HEXRD、高溫顯微鏡和熱力學(xué)計(jì)算，闡明了PBF-LB激光束粉末床加工由 Ti-6Al-4V + 3Fe (wt.%) 粉末混合物獲得的四元合金中亞穩(wěn)相的形成，并描繪了熱處理后實(shí)現(xiàn)超細(xì) α+β 顯微組織的冶金路線。

圖 5. 高溫原位顯微鏡顯示 Ti-6Al-4V-3Fe 的微觀結(jié)構(gòu)演變。

結(jié)論

原位 HEXRD 和高溫顯微鏡的結(jié)合使用揭示了 PBF-LB激光束粉末床增材制造加工的 Ti-6Al-4V-3Fe 新型四元合金中發(fā)生的亞穩(wěn)態(tài) β 分解過程的細(xì)節(jié)。主要發(fā)現(xiàn)總結(jié)如下：

▲ 高溫原位顯微鏡顯示 Ti-6Al-4V-3Fe 的微觀結(jié)構(gòu)演變

- 在 Ti-6Al-4V 中適量添加 Fe（高達(dá) 3 wt.%）對(duì) PBF-LB 激光束粉末床增材制造加工過程中的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)展具有深遠(yuǎn)的影響。在3D打印樣品中觀察到高達(dá) 70% 的亞穩(wěn)態(tài) β 相；

- Fe 的局部濃度影響 β 相中析出物的比例：在富鐵區(qū)域（典型 Fe 濃度超過 3.5 wt.%）中發(fā)現(xiàn) α′ 和無(wú)熱 ω 析出物，而在貧鐵區(qū)域（Fe 濃度 僅達(dá)到0.5%)，以α′馬氏體為主；

- 亞穩(wěn)態(tài) β 相在熱處理過程中發(fā)生顯著轉(zhuǎn)變，在 400 至 650°C 之間發(fā)生獨(dú)特的 β 相到 α 相轉(zhuǎn)變；400 至 650°C 之間 β 晶格的逐漸收縮歸因于 Fe 分配和 β 體積分?jǐn)?shù)整體降低的綜合效應(yīng)；

- 高溫顯微鏡證實(shí)了這一點(diǎn)，高溫顯微鏡清楚地顯示富鐵 β 相在 400 至 650°C 之間發(fā)生均勻分解：這種轉(zhuǎn)變被認(rèn)為是 α 相在 ω 相和隨后的 α 相存在的幫助下成核的結(jié)果，F(xiàn)e 在 β 相中的早期擴(kuò)散促進(jìn)了生長(zhǎng)；

- 在 700°C 以上，Ti-6Al-4V-3Fe 采用傳統(tǒng)的相變途徑，其特征是通過 V 在 β 相中的擴(kuò)散逐漸溶解 α 相：

- 雖然中溫 (730°C) 熱處理能夠部分恢復(fù) Ti-6Al-4V 的微觀結(jié)構(gòu)，但同樣的熱處理能夠在 Ti-6Al-4V 中獲得超細(xì) α+β 微觀結(jié)構(gòu)（平均 α 板條厚度 0.45 ± 0.04 μm）。本研究研究了新型四元合金；

這項(xiàng)工作中開發(fā)的超細(xì) α+β 微觀結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出強(qiáng)度和延展性的卓越組合。Fe 在 β 相中的分配被認(rèn)為對(duì)于獲得這些性能至關(guān)重要。首先，F(xiàn)e 負(fù)責(zé)均勻分解，從而產(chǎn)生超細(xì)板條，從而提供顯著的晶界誘導(dǎo)硬化（發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度與板條厚度的平方根倒數(shù)密切相關(guān)）。其次，它分配到β相導(dǎo)致顯著的固溶強(qiáng)化，從而為α沉淀物形成“硬”基體。值得注意的是，熱處理后大量的 β 相可能會(huì)減少應(yīng)力分配并增強(qiáng)材料的延展性。