增材制造(AM)適用于制造性能獨特具有復雜幾何形狀的部件，并且很少產生材料浪費。由于零件逐層遞增構建，零件內的每個層面都會經歷液相線、固相線和預熱溫度之間的多次熱回轉。這些特征由于空間時間變化和加熱冷卻速率而變得復雜。原則上，這些為微觀結構的控制提供了機會。隨著幾何形狀的呈現，層的重熔和多次熱回轉導致零件出現一定空間時間特征。這些快速波動的瞬態變化容易受到動態機械約束，非線性相互作用可能導致復雜的熱力條件，即壓縮和拉伸之間的熱應力和相關塑性應變的瞬態變化。一般來說，在制造過程中對這些瞬時變化進行原位檢測幾乎是不可能的。

美國田納西大學的研究人員開發了一種新的方法以描述熱力變化在固相轉變中的作用，了解Ti6Al4V樣品在已知邊界條件下受熱力的影響，探討了相變路徑的后續問題，即α→β相變是重建性還是位移性。相關論文以題為“Role of thermo-mechanical gyrations on the α/β interface stability in a Ti6Al4V AM alloy”發表在Scripta Materialia。

論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114134

研究發現Ti6Al4V合金在400℃和650℃之間經歷熱力變化后逐漸軟化，塑性壓縮應變極限為1%。α和β相之間的動態應變分配伴隨著(a→β)相變。在熱力變化循環中觀察到的β相變化相當出乎意料(約5%)，因為熱力學平衡預測在該溫度范圍內相變可忽略不計。在加工狀態下，測得的β相中的V含量約為30%，而在α相中，測得的V含量約為2.27%。同樣，測得的α相中鋁含量約為8%，在β相中約為2%，對45和75次循環樣品進行了相同的分析，測得β相中的V含量分別為18%和17%。在兩個階段中鋁含量的變化可以忽略不計。與未進行循環樣品相比，大量的V在熱力變化(45和75循環)過程中重新分配。表明循環樣品的β相分數增加(未循環中2.5%→45循環中5.7%)，并且在快速熱力變化過程中觸發了動態相變。

圖1 400℃至650℃之間的熱機械反轉循環

圖2 熱機械循環45次(左)和75次(右)樣品中Ti、Al和V的三維重建圖

圖3 三維重建原子圖顯示α和β相之間的界面及元素含量變化

圖4 β相650℃的平衡相邊界等值線向下移動示意圖

由于塑性應變的積累，α相儲存的能量增加，從而使β相分數的增加合理化。相界計算表明，α相中約400 J/mol的過剩能量會使其不穩定并觸發向β相的動態轉變。跨α/β界面的元素劃分的定量分析支持重建轉換模式。目前的結果表明，α/β界面穩定性和材料軟化之間的密切耦合取決于熱機械邊界條件，表明在制造零件的計算建模過程中需要考慮相關的材料演變。本文為增材制造零件的設計和可行性分析提出了可靠的建議。