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西北工業大學《MRL》：實現增材制造全等軸細β晶粒鈦合金！

2022-10-20 14:25:50 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

增材制造（AM）是一種革命性的技術，它為部件的近凈形狀和靈活設計提供了一種有前途的方法。鈦基合金是應用于AM加工的最成熟的合金之一。然而，AM中固有的高冷卻速率和高熱梯度經常產生粗大的柱狀β-晶粒和連續的晶界α-相，沿著鈦合金的沉積方向長達幾厘米，導致機械性能明顯的各向異性和低周期疲勞性能差。因此，為了制造高質量的AM鈦合金部件，實現等軸細β-晶粒是必不可少的。

一般來說，人們認為AM鈦合金中的等軸細β-晶粒在大的憲政過冷（CS）下更容易獲得，因為它不僅可以促進柱狀向等軸過渡（CET），而且可以限制凝固過程中的晶粒生長。但由于Ti中有限的最大溶解度c0-max不能提供足夠的CS以促進成核，因此它們不能產生完全等軸的β晶粒。

最近，西北工業大學林鑫教授團隊通過結合實驗觀察和有限元熱模擬，分別研究了DED Ti6Al4VxNiyB在凝固和后續熱循環后的β-晶粒形態和尺寸。此外，還分析了其拉伸性能及其各向異性。研究證明，在DED鈦合金的單一瞬間高溫熱循環（<1秒）下，β-晶粒可以粗化3-9倍。毋庸置疑，在精煉β-晶粒時也必須抑制這種粗化。因此，在凝固和隨后的熱循環過程中，對晶粒結構的協同控制對于在AM鈦合金中實現等軸細化β晶粒是至關重要的。因此，在DED Ti6Al4V中選擇低含量的Ni和微量的B作為合金元素，以便在凝固和隨后的熱循環中協同控制β-晶粒結構。

相關研究成果以題“Achieving fully-equiaxed fine β-grains in titanium alloy produced by additive manufacturing”發表在國際著名期刊Materials Research Letters上。

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

圖1 Ti6Al4VxNiyB頂部的β-晶粒和最后一層的初始凝固機制。（a）,（d） Ti6Al4V; （b）,（e） Ti6Al4V3Ni; （c）,（f）Ti6Al4V3Ni0.05B; （g）晶粒尺寸d0與反Q的關系圖。TE是平衡液相溫度，Tn是成核的臨界過冷度）。

圖2 位于Ti6Al4V3NiyB礦床中間的β-晶粒。（a）Ti6Al4V3Ni, （b）Ti6Al4V3Ni0.05B；（c）β-晶粒尺寸和粗化度m；（d）模擬m對d0的函數，符號代表實驗值；（e）Ti6Al4V3Ni和（f）Ti6Al4V3Ni0.05B中模擬δdi，d=d0+δdi，δMi和M=δMi對熱循環數（Tβ<t< span="">p<t< span="">s）。（Ts和Tβ是用Thermo-Calc計算的）。</t<></t<><t< span=""><t< span=""></t<></t<>

圖3 Ti6Al4VxNiyB沉積物中間的微觀結構。原狀：（a）Ti6Al4V，（b）Ti6Al4V3Ni，和（c）Ti6Al4V3Ni0.05B，（d）熱處理的Ti6Al4V3Ni0.05B。

圖4 Ti6Al4VxNiyB合金的力學性能。（a）代表性的工程應力-應變曲線；誤差棒（UTS和EL）代表一個標準差。（b）通過DED和Ti6Al4V的ASTM標準，熱處理后的Ti6Al4V3Ni0.05B的拉伸性能與Ti-Cu和Ti6Al4V相當。（c）各向異性。

圖5 縱向試樣的斷裂面：（a）（c）建成的Ti6Al4V，（b）（d）建成的Ti6Al4V3Ni，Ti6Al4V3Ni0.05B（e）（f）建成的和（g）（h）熱處理過的。

綜上所述，通過在凝固和后續熱循環過程中協同控制β-晶粒，并進行固溶+淬火熱處理，展示了在AM鈦合金中實現完全等軸細β-晶粒的合金設計方法。這首次揭示了在凝固的等軸晶粒中，通過共同添加Ni和B可以實現1+1>2的晶粒細化效果，并且微量B在再熱循環和凝固過程中對β晶粒的細化起著同樣重要的作用。強度和塑性都熱處理后的Ti6Al4V3Ni0.05B的強度和塑性都得到了提高，并與DED Ti6Al4V相當，這是由于細小的全等軸β-晶粒與內部（α-Ti+β-Ti）微觀結構。這些發現為AM鈦合金的晶粒結構控制和成分設計提供了新的見解。

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