引用本文:
Meng Wang, Jiaxin Wang, Shufan Xian, Junfeng Zhou, Wei Xu, Jiabao Guo, Qian Wang, Xin Lin, Weidong Huang, Accelerated martensite decomposition in additively manufactured TA15 titanium alloy under thermal cycling, Journal of Materials Science & Technology (2025), doi: https://doi.org/10.1016/j.jmst.2025.04.079.
研究背景
钛合金因其出色的高比强度、比刚度和优异的耐腐蚀性能而获得广泛应用。然而,在复杂薄壁结构件或空心构件的制造领域,传统成形技术受限于高昂的制造成本和较差的成形质量,难以满足对高性能复杂钛合金结构件高效生产的需求。近年来快速发展的金属增材制造(AM)技术,特别是激光粉末床熔融(L-PBF)技术,为高效加工复杂钛合金结构件提供了新的解决方案。
基于L-PBF技术固有的高冷却速率特征,初生β晶粒内通常形成大量α¢马氏体相,并伴随β相在α¢马氏体相界的偏聚。这种显微组织特征通常导致构件力学性能的劣化。因此,往往需通过后续热处理工艺调控其相变行为,以实现材料性能的优化。
近期研究尝试通过调控L-PBF工艺过程中的热积累,诱导α¢马氏体完全分解为细小的层片状(α+β)组织,有助于增材制造钛合金的强塑性协同提升。尽管这些研究成功将马氏体分解所需时间从数小时大幅缩短至数十秒,实现了快速分解,但其微观组织演变机制,尤其是快速分解的内在驱动力与路径选择仍不甚明晰,这阻碍了马氏体分解过程的优化调控,严重制约L-PBF成形钛合金性能潜力的充分挖掘。
成果简介
针对上述关键科学问题与挑战,西北工业大学材料学院黄卫东/林鑫教授团队利用西安铂力特增材技术股份有限公司生产的BLT- S510设备制备马氏体含量可控的LPBF-TA15试样,创新性地设计并搭建钛合金激光扫描热处理装置(获授权国家发明专利ZL202210269442.0),利用该装置在LPBF-TA15成形试样表面构建接近真实L-PBF热历史的循环热场,突破传统等温热处理或单一热处理工艺调控的局限,实现L-PBF动态热循环效应的可靠复现与定量调控,为揭示热循环条件下相变动力学机制提供了关键实验平台。
通过对热循环区域开展多尺度关联表征并耦合高精度热-相变耦合模拟,本研究取得两项突破性发现:
1.分解机制的新理解:首次证实马氏体快速分解(< 200秒)的核心驱动力并非传统等温处理中β稳定元素从马氏体相内向相界扩散,而是源于马氏体相内部的β稳定元素(如Mo, V)在纳米尺度上的偏聚,诱发纳米尺度β相在马氏体内析出;
2.分解行为的再认识:这些弥散分布的β相形成贯穿马氏体高效的“扩散通道”,使元素扩散距离大大缩短,扩散时间较传统等温热处理降低1-2个数量级,从而实现马氏体由内而外的快速分割,可有效加速a相的细化和圆整化。
这些突破性发现为理解L-PBF钛合金在热循环作用下的相变动力学提供了全新视角,并为通过原位工艺调控实现增材制造钛合金强塑性协同提升奠定了重要的科学基础。
该项研究成果以“Accelerated martensite decomposition in additively manufactured TA15 titanium alloy under thermal cycling”为题,发表于材料科学领域顶级期刊《Journal of Materials Science & Technology》。西北工业大学王猛教授为该论文的第一作者,硕士研究生周峻锋、咸舒凡、王嘉鑫,博士研究生王前、郭家宝参与研究工作,该项工作还与毕业于西北工业大学材料学院、现就职于澳大利亚 Deakin University 的徐嵬博士合作。研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划以及陕西省“双链融合”项目的大力支持。
图文导读
所使用的激光器扫描热处理装置包括激光扫描系统和数据采集系统,如图 1(a)所示。将BLT- S510设备制备的LPBF-TA15全马氏体试样放置在基板上,试样侧面焊接Omega GG-K30型热电偶以测量激光扫描过程中的温度,数据采集点的位置如图 1(b)所示。微观结构表征的取样位置如图 1(c)所示。
图1 装置及取样位置示意图 (a) 激光扫描实验装置; (b) 热电偶测量位置; (c) 取样位置
利用上述装置在钛合金试样不同深度处获得了马氏体分解路径和程度各异的组织状态。距离激光扫描面0 mm处(图 2(a-1)),在高能激光束的作用下形成了平行排列粗大的魏氏集束,在α板条的间隙中存在交错排列的网篮组织;距离激光扫描面1-1.5 mm 区域(图 2(b-1)-(c-1))的组织表现为晶内网篮组织和晶界魏氏集束。距离激光扫描面2.0 mm处(图 2(d-1)),有较多区域出现了α相圆整化现象。随着深度继续增加(图 2(e-1)-(f-1)),α相的熟化和球化程度随深度增加而减小,α¢马氏体分解程度下降。
图2 激光扫描试样不同深度处的热历史曲线及微观组织 (a)~(f)为热历史曲线; (a-1) 0 mm; (b-1) 1.0 mm; (c-1) 1.5 mm; (d-1) 2.0 mm; (e-1) 2.5 mm; (f-1) 4.0 mm;
(d-2)-(f-2)分别对应(d-1)-(d-2)的放大图
图 3 展示了试样通过在α¢马氏体内生成β稳定元素富集区实现马氏体快速分解的过程。当α¢马氏体被迅速加热到单相区,并在βtr点附近受到热循环效应的影响时,在大尺寸α¢/α板条的内部,观察到大量与板条朝向垂直的明亮条纹,如图 3(b)所示。猜测这是α¢马氏体内部诱导形成的β稳定元素“扩散通道”,β稳定元素通过扩散通道向板条边界扩散,α¢马氏体逐渐向α相转变。同时观察到α¢/α板条末端形成向内部延伸的细长β相,通过吸收通道中的β稳定元素继续生长,如图 3(c)所示;当长条状β相贯穿并分割α¢/α板条时,板条内部的明亮条纹结构几乎消失,大尺寸α¢/α板条完全分解,达到图 3(d)的状态。
图3试样通过在α¢内部生成的β相团簇实现马氏体快速分解的过程
(a) 试样微观组织; (b)~(d)分别对应图3(a)的区域1~3
上述分析结果表明,α¢/α板条内部出现的明亮条纹在马氏体快速分解行为中发挥重要的作用。对该区域的组织进行透射表征,结果如图 4所示。在STEM-HAADF成像模式下,观察到了高对比度带状结构,进一步根据EDXS的结果,发现宽度约为56 nm的带状结构内有明显的元素偏析,β 稳定元素V、Mo 和Fe富集于带状结构中,说明STEM-HAADF成像模式下观察到的带状结构,与背散射电子模式下β稳定元素偏聚的明亮条纹对应。
图4 富集b稳定元素的亮纹处TEM及EDXS结果
据此建立了如图 5所示的热循环效应下马氏体快速分解模型:当α¢马氏体经历峰值温度接近β相转变点的循环温度曲线时,在频繁且短促的峰值温度附近,α¢马氏体内部β稳定元素富集并形成垂直与边界的扩散通道;后续的演化过程中,α¢/α板条内形成贯穿性的长条β相,吸收α¢/α板条内部的条纹结构中的β稳定元素,实现α¢马氏体的快速分解,并促成α相的细化和圆整化。
图5 热循环效应加速马氏体分解示意图
通讯作者简介
王猛
西北工业大学材料学院教授,博士生导师。长期在西北工业大学凝固技术全国重点实验室和金属高性能增材制造与创新设计工业和信息化部重点实验室从事金属凝固及金属增材制造技术的教学与科研工作。主持国家自然科学基金、国家重点研发计划、企业协作等多项科研项目,在Additive Manufacturing、Journal of Materials Science & Technology等知名期刊发表论文一百五十余篇,参编教材及著作5项,获授权中国发明专利9项,其中“成分及组织可控的激光立体成形方法”获中国发明专利奖优秀奖,并作为核心专利技术在西安铂力特增材技术股份有限公司实现成果转化。
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