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增材頂刊《AM》：增材制造無偏析缺陷高強度β-鈦合金！

2021-01-26 10:34:29 作者：本網整理來源：材料學網分享至：

導讀：偏析缺陷，稱為β-斑點，長期以來一直影響亞穩態β-鈦合金的廣泛應用。這些缺陷是在鉻等β-穩定溶質偏析產生局部相不穩定性時形成的，這對合金的時效響應和力學性能是有害的。本文探討了增材制造是否是防止在Beta-C合金（Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr）中形成這些缺陷的可行方法。盡管觀察到在沉積表層時最初會形成β斑點，但隨后的每個新層和熱循環都會促進合金元素的固態擴散，從而有效地修復偏析缺陷。因此，增材制造是生產無此缺陷的高質量亞穩態β-鈦合金的有希望途徑。

長期以來，亞穩態β-鈦合金已用于航空航天和醫療應用，與α+β合金相比，它們需要更高的機械性能。Ti-13V-11C-3Mo（也稱為B120VCA），Ti-10V-2Fe-3Al，β-21S（Ti-15Mo-3Al-3Nb-0.2Si）和Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr（ Beta-C）因其高的比強度或有利的熱性能而在航空器的各種應用中都是可時效的亞穩態β合金。當從高于β-轉變溫度的溫度快速冷卻時，亞穩態β-Ti合金會保留主要為β體心的立方（bcc）晶相，通常不會形成α‘馬氏體。在低于β-轉變的時效過程中，α-六角形密堆積（hcp）相或中間亞穩相ω或β’沉淀并促進進一步硬化。雖然亞穩態β合金通常比α+β合金貴，但如果實現了性能提升，它們可能是增材制造的有吸引力的候選者，因為與傳統的鍛造+相比，較低的采購與銷售比率將抵消部分較高的材料成本。

亞穩態β-Ti合金包含β穩定合金元素，例如Cr，Fe，V，Mo，Nb 。如果這些β穩定溶質的分配系數小于或大于1，則它們在凝固過程中會偏析。溶質偏析可以產生過冷，從而細化晶粒尺寸并促進等軸晶粒的形成，有利于晶粒尺寸和織構的控制。但是，凝固后，偏析的β穩定溶質會在整個微結構中產生化學不均勻性，從而導致相穩定性的局部變化，如果對合金進行熱處理，則會導致時效響應發生變化。這種偏析缺陷被稱為β-斑點（或雀斑），并且不利于Ti合金的機械性能。

增材制造（AM）有兩個固有的優勢，可以在生產亞穩態β-Ti合金時限制β斑點形成。首先，快速凝固速度將限制溶質偏析的規模，因為快冷會產生小的二次枝晶臂間距。其次，增材制造的獨特高溫熱循環特性可以促進任何形式的細分散溶質團簇（β斑點）的原位化學成分均質化。

基于此，澳大利亞昆士蘭大學M.J.Bermingham教授團隊研究了增材制造過程中亞穩態β-Ti合金Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr（Beta-C）中的β斑點的形成，并確定沉積新層時的重復熱擾動是否有助于消除這種缺陷。選擇Beta-C是因為其鉬當量約為16，同時還包含6 wt％的Cr，這是一種已知的形成β斑點的溶質。研究發現電弧增材制造（WAAM）期間的熱循環并未完全使合金均勻化，并且殘留了一些偏析，但是經過7個熱循環后，溶質變化減少了60-75％，這足以治愈β斑點，并且不會導致合金的時效響應發生實質性變化。研究成果以題“Eliminating segregation defects during additive manufacturing of high strength β-titanium alloys”發表在增材制造頂刊Additive Manufacturing上。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.101855