西北工业大学《MRL》：实现增材制造全等轴细β晶粒钛合金！

2022-10-20 14:25:50 作者：材料学网来源：材料学网分享至：

增材制造（AM）是一种革命性的技术，它为部件的近净形状和灵活设计提供了一种有前途的方法。钛基合金是应用于AM加工的最成熟的合金之一。然而，AM中固有的高冷却速率和高热梯度经常产生粗大的柱状β-晶粒和连续的晶界α-相，沿着钛合金的沉积方向长达几厘米，导致机械性能明显的各向异性和低周期疲劳性能差。因此，为了制造高质量的AM钛合金部件，实现等轴细β-晶粒是必不可少的。

一般来说，人们认为AM钛合金中的等轴细β-晶粒在大的宪政过冷（CS）下更容易获得，因为它不仅可以促进柱状向等轴过渡（CET），而且可以限制凝固过程中的晶粒生长。但由于Ti中有限的最大溶解度c0-max不能提供足够的CS以促进成核，因此它们不能产生完全等轴的β晶粒。

最近，西北工业大学林鑫教授团队通过结合实验观察和有限元热模拟，分别研究了DED Ti6Al4VxNiyB在凝固和后续热循环后的β-晶粒形态和尺寸。此外，还分析了其拉伸性能及其各向异性。研究证明，在DED钛合金的单一瞬间高温热循环（<1秒）下，β-晶粒可以粗化3-9倍。毋庸置疑，在精炼β-晶粒时也必须抑制这种粗化。因此，在凝固和随后的热循环过程中，对晶粒结构的协同控制对于在AM钛合金中实现等轴细化β晶粒是至关重要的。因此，在DED Ti6Al4V中选择低含量的Ni和微量的B作为合金元素，以便在凝固和随后的热循环中协同控制β-晶粒结构。

相关研究成果以题“Achieving fully-equiaxed fine β-grains in titanium alloy produced by additive manufacturing”发表在国际著名期刊Materials Research Letters上。

链接：https://doi.org/10.1080/21663831.2022.2115323

图1 Ti6Al4VxNiyB顶部的β-晶粒和最后一层的初始凝固机制。（a）,（d） Ti6Al4V; （b）,（e） Ti6Al4V3Ni; （c）,（f）Ti6Al4V3Ni0.05B; （g）晶粒尺寸d0与反Q的关系图。TE是平衡液相温度，Tn是成核的临界过冷度）。

图2 位于Ti6Al4V3NiyB矿床中间的β-晶粒。（a）Ti6Al4V3Ni, （b）Ti6Al4V3Ni0.05B；（c）β-晶粒尺寸和粗化度m；（d）模拟m对d0的函数，符号代表实验值；（e）Ti6Al4V3Ni和（f）Ti6Al4V3Ni0.05B中模拟δdi，d=d0+δdi，δMi和M=δMi对热循环数（Tβ<t< span="">p<t< span="">s）。（Ts和Tβ是用Thermo-Calc计算的）。</t<></t<><t< span=""><t< span=""></t<></t<>

图3 Ti6Al4VxNiyB沉积物中间的微观结构。原状：（a）Ti6Al4V，（b）Ti6Al4V3Ni，和（c）Ti6Al4V3Ni0.05B，（d）热处理的Ti6Al4V3Ni0.05B。

图4 Ti6Al4VxNiyB合金的力学性能。（a）代表性的工程应力-应变曲线；误差棒（UTS和EL）代表一个标准差。（b）通过DED和Ti6Al4V的ASTM标准，热处理后的Ti6Al4V3Ni0.05B的拉伸性能与Ti-Cu和Ti6Al4V相当。（c）各向异性。

图5 纵向试样的断裂面：（a）（c）建成的Ti6Al4V，（b）（d）建成的Ti6Al4V3Ni，Ti6Al4V3Ni0.05B（e）（f）建成的和（g）（h）热处理过的。

综上所述，通过在凝固和后续热循环过程中协同控制β-晶粒，并进行固溶+淬火热处理，展示了在AM钛合金中实现完全等轴细β-晶粒的合金设计方法。这首次揭示了在凝固的等轴晶粒中，通过共同添加Ni和B可以实现1+1>2的晶粒细化效果，并且微量B在再热循环和凝固过程中对β晶粒的细化起着同样重要的作用。强度和塑性都热处理后的Ti6Al4V3Ni0.05B的强度和塑性都得到了提高，并与DED Ti6Al4V相当，这是由于细小的全等轴β-晶粒与内部（α-Ti+β-Ti）微观结构。这些发现为AM钛合金的晶粒结构控制和成分设计提供了新的见解。

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