增材制造鈦合金馬氏體相變機理研究尚無共識，對顯微/納米結構演變（馬氏體相分解）的深刻理解至關重要。本研究首次提出了一種新的相變機理：通過熱處理過程中元素濃度變化逐步置換晶格中的 Al, V和Ti原子。這不僅可以優化增材制造后處理，設計用于3D打印的新型鈦合金提供了理論基礎。

增材制造（AM）在航空，醫療設備和汽車等行業中變得越來越重要，因為增材制造在所有近凈成形工藝中是凈成形水平最高的工藝。鈦合金Ti-6Al-4V（Ti64）由于其耐腐蝕性，生物相容性，高比強度，優異的機械性能和斷裂韌性而成為增材制造中的首選材料之一。在基于激光的獨特AM系統中，熔融層的冷卻速率極高（約103-108K/s），合金將形成具有密排六方（HCP）晶體結構的亞穩定針狀馬氏體相，而常規處理（冷卻速率0.5K/s）將產生典型的α+β（平衡）結構，導致增材制造的合金具有出色的疲勞性能。大多數研究集中在基于合金的微觀結構了解不同的熱處理周期對機械性能的影響。關于馬氏體相變機理的總體研究尚無共識，因此對顯微/納米結構演變（馬氏體相分解）的深刻理解至關重要，以便優化在增材制造Ti-6Al-4V合金上應用的熱處理工藝。

愛爾蘭都柏林大學的一項研究通過高溫原位XRD和TEM分析，觀察了增材制造的Ti64合金的應力松弛和相變機理。相關論文于以題為“Mechanism of stress relaxation and phase transformation in additively manufactured Ti-6Al-4V via in situ high temperature XRD and TEM analyses”發表在Acta Materialia。

論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.02.056

經過1000℃的高溫原位實驗發現，Ti64晶格逐漸膨脹并伴隨著內部殘余應力的釋放和α'（馬氏體）→α+β（平衡）轉變。雖然α平衡相的理論晶格參數為a=2.935?和c=4.685?，但XRD分析結果表明，初始馬氏體晶體結構具有分別對應于（0101）和（0111）平面的a=2.933?和c=4.655?的晶格參數。說明馬氏體和平衡α具有非常相似的晶格參數，但是馬氏體相是稍小的壓縮晶格結構。

實驗觀察到當合金從25℃加熱到400℃時發生晶格的應力松弛，而沒有出現任何相變。高于400℃，α'（馬氏體）→α+β（平衡）相變是逐步發生的。XRD和TEM結果均表明晶體結構發生了轉變，而隨著α'馬氏體逐漸分解，α（平衡）和α'（馬氏體）共存。

原位TEM分析中使用的不同加熱速率顯示出對晶格膨脹機理的直接影響。較低的加熱速率樣品（100℃/min）顯示出逐步膨脹，這是由于加熱期間在特定的轉變溫度下停留時間較長，而在較高的加熱速率（200℃/min）樣品中未觀察到這種機理。此外，觀察到hcp晶體的a和c晶格參數在500-700℃之間線性增加，這是由于原子半徑為143 pm（Al）和135 pm（V）的這些原子的擴散，以及它們被Ti原子取代（147 pm），導致晶體結構在700℃完全轉變為α+β（平衡）。由于晶格的熱膨脹，在此溫度以上加熱導致a和c晶格參數進一步增加，同時保持c/a比幾乎不變。

圖1 不同溫度下合金的原位XRD分析

圖2 不同溫度下合金的TEM圖像（a）25℃;（b）550℃；（c）600℃

圖3 不同溫度下合金的TEM圖像（a）25℃;（b）650℃；（c）700℃

圖4 不同溫度下晶格變化示意圖

總的來說，本研究首次提出了一種相變機理（For the first time, a mechanism of phase transformation is proposed），該相變機理是通過熱處理過程中元素濃度變化逐步演變進行的，導致晶格中的 Al, V和Ti原子逐步置換。這不僅可以優化增材制造Ti64合金的后處理，而且還可以為設計用于3D打印的新型鈦合金提供理論基礎。