亞穩(wěn)β鈦合金具有高強度、低彈性模量和優(yōu)異的生物相容性，因此被廣泛應用于航空航天工業(yè)和生物醫(yī)療器械等多個領域。近年來已有關于增材制造制備β鈦合金（如Ti–5Al–5Mo–5V-3Cr）的報道。然而，對于亞穩(wěn)β鈦合金而言，材料的制備過程中通常容易出現(xiàn)一種凝固偏析缺陷（即“β斑”）。β斑是β相穩(wěn)定元素（如Fe,Cr）在凝固過程中偏析從而導致相穩(wěn)定性發(fā)生局部變化的缺陷，這類缺陷不僅對合金的強度有不利影響，也會降低合金的低周疲勞強度和斷裂韌性。在傳統(tǒng)的制備過程中，通常需要對亞穩(wěn)β鈦合金在高溫下進行長時間的均勻化退火以消除β斑，而這顯然不適用于增材制造鈦合金。

在本研究中，來自澳大利亞昆士蘭大學的研究人員提出通過向Ti-3Al-8V-6 Cr-4Mo-4Zr（Beta-C）合金中摻雜微量晶粒細化劑La2O3可以基本消除該合金增材制造過程中的β斑偏析缺陷，并同時使得合金的晶粒等軸化和細化。文中通過分析和數(shù)值模型對該現(xiàn)象進行了深入的分析和討論。相關研究以題為“Towards β-?eck defect free additively manufactured titanium alloys by promoting the columnar to equiaxed transition and grain re?nement”發(fā)表在材料學頂刊Acta Materialia上。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117511

圖1（a-c）和（d-f）分別是純Beta-C合金以及摻雜La2O3后的Beta-C合金的微觀組織及合金元素分布圖。從圖中可以明顯看出，在Beta-C合金內部的枝晶間區(qū)域Cr、Zr和Mo元素出現(xiàn)了明顯的偏析現(xiàn)象，合金內部生成了大量β斑。而在摻雜晶粒細化劑La2O3后，Cr、Zr和Mo元素在枝晶間區(qū)域任然均勻分布，且Beta-C合金內部99.9%的β斑均被消除。

圖1Beta-C合金及Beta-C/La2O3合金的微觀組織及元素分布圖

文中對Beta-C合金及Beta-C/La2O3合金中固溶原子的偏析行為進行了深入分析，通過Clyne和Kurz模型計算得到的凝固路徑如圖2所示，摻雜少量La2O3后Beta-C合金的凝固路徑發(fā)生了顯著改變。對于純Beta-C合金，枝晶間存在較大和較寬的液態(tài)區(qū)域，可能會促進Cr元素在枝晶邊界處富集以及柱狀晶粒的形成。而對于Beta-C/La2O3合金而言，枝晶間的通道顯著減小，因此可以降低β穩(wěn)定元素的富集并促進等軸晶的形成。

圖2通過Clyne和Kurz模型計算得到的凝固路徑（a）Beta-C合金；（b）Beta-C/La2O3合金

圖3為常用于判斷鈦合金變形機制及相組成類型的Bo-Md圖，其中Beta-C合金及Beta-C/La2O3合金凝固前及凝固后的點已在圖中標出。可以看出凝固后Beta-C合金的成分明顯更加偏向β鈦合金方向，最終導致了β斑的形成。而對于摻雜La2O3的Beta-C合金而言，凝固前后合金B(yǎng)o-Md位置基本無明顯變化，展現(xiàn)出良好的相穩(wěn)定性。此外，通過對Bo-Md圖進行分析，可以看出Cr元素的偏析是β斑形成的主要原因。

圖3鈦合金的Bo-Md圖

總的來說，本文通過實驗以及模型驗證了摻雜晶粒細化劑對β鈦合金增材制造過程中晶粒細化及元素偏析缺陷消除的作用，對增材制造制備β鈦合金具有重要指導作用。值得一提的是，除合金成分和晶粒尺寸的影響外，鈦合金中β斑形成的因素還與冷速有較大關聯(lián)，因此可以預測較大冷速的增材制造方法（如SLM）也可以有效抑制β斑的生成。