華中科大增材頂刊《AM》：增材制造鈦合金的微觀組織和力學性能！

來源：材料學網(wǎng)

導讀：本文通過激光粉末床融合 (LPBF) 成功制造了近α Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V 合金并進行了后熱處理。對不同樣品的微觀結(jié)構(gòu)和機械性能進行了比較研究，以揭示 LPBF 工藝參數(shù)和后熱處理的影響。用于制造相對密度 >99.9% 樣品的最佳 LPBF 工藝窗口位于 125-167J/mm 3的體積能量密度 (VED) 范圍內(nèi). LPBF 中極快的冷卻速度誘導了完整的馬氏體 α' 結(jié)構(gòu)。在樣品中發(fā)現(xiàn)了以低角度晶界 (LAGB)、纏結(jié)的高角度晶界 (HAGB) 和幾個互變體為特征的亞結(jié)構(gòu)。這導致最佳竣工樣品的機械性能： 極限抗拉強度(UTS) 為 1172-1227MPa，伸長率為7.9-8.8%，顯微硬度為~425 Hv。該研究結(jié)果可用于指導通過后熱處理調(diào)整LPBF處理的Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V合金的顯微組織，以獲得良好的拉伸性能組合。

Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V（TA15）作為一種臨界α型鈦（Ti）合金，具有良好的機械性能、焊接性和高溫操作能力，然而，傳統(tǒng)方法仍然難以制造復雜的 Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V 結(jié)構(gòu)。各種增材制造 (AM) 技術(shù)，包括定向能量沉積 (DED)和粉末床融合 (PBF), 已被證明可以成功制造 Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V 零件。與其他公司相比，關(guān)于激光粉末床融合（LPBF）加工的 Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V 的研究相對較少。

LPBF 是一種很有前景的 AM技術(shù)，它利用聚焦的激光束在計算機輔助設(shè)計 (CAD) 模型的引導下選擇性地逐層熔化金屬粉末，具有高精度、全密度以及加工過程中材料利用率高。因此，使用 LPBF 制造 Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V 合金部件具有擴展其在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的潛力。蔡等人首次報道了用平臺加熱的 LPBF 加工 Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V。展示了激光功率范圍為 230~380  W下的最佳工藝窗口。LPBF 加工鈦合金的典型冷卻速率和溫度梯度約為 10^6 K/s 和 10^5-6  K/m，使得非平衡相保持在室溫。因此，LPBF 處理的 Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V 的顯微組織主要由 αʹ馬氏體組成，這與 LPBF 處理的 α+β 型Ti-6Al-4V 非常相似. 不同之處在于由于Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V 是 α 型，LPBF 工藝參數(shù)的變化通常不會改變相組成。然而，如 α 型鈦合金所報道，不適當?shù)母吣芰枯斎霑�導致大量�?α 塊生成，這對機械性能產(chǎn)生不利影響。

LPBF Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V 擴展應(yīng)用的主要障礙是由于馬氏體固有的脆性和低延展性而導致的不理想的綜合力學性能。一般來說，后熱處理對于提高增材制造鈦合金的延展性是適用和有效的。在β相場上進行熱處理可以基本上消除 LPBF 誘導的結(jié)構(gòu)。強度-延展性關(guān)系可以通過后續(xù)的時效處理進行調(diào)整。通過低于 β 相場的熱處理，可以部分消除高內(nèi)應(yīng)力和結(jié)構(gòu)缺陷，并在樣品中析出納米級β相。關(guān)于各種熱處理如何影響 LPBF 加工的 Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V 的顯微組織和機械性能仍然缺乏知識，這對于指導進一步優(yōu)化熱處理至關(guān)重要。

在本研究中，華中科技大學王澤明教授團隊通過LPBF 工藝優(yōu)化針對高密度 Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V 樣品進行。對比研究了不同體積能量密度和后熱處理處理后樣品的顯微組織特征和力學性能。本工作旨在為 Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V 合金的 LPBF 和后熱處理制造提供數(shù)據(jù)庫和指導。相關(guān)研究成果以題“Microstructure and Mechanical Properties of Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V AlloyProcessed by Laser Powder Bed Fusion and Subsequent Heat Treatments”發(fā)表在增材頂刊Additive Manufacturing上。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2214860421005364

亞β熱處理后，LPBF誘導的亞結(jié)構(gòu)逐漸分解。最初在竣工樣品中的 LAGB 在 HT700 樣品中幾乎消失了。纏結(jié)的 HAGB 部分保留在 HT700 和HT800 樣品中，并在 HT900 樣品中消失。HT900 樣品經(jīng)歷了完全再結(jié)晶，沒有殘留 LPBF 誘導的馬氏體。該結(jié)構(gòu)的特點是α-板條和少數(shù)球狀β。因此，與其他 sub-β 熱處理樣品相比，HT900 樣品表現(xiàn)出更好的延展性。

圖1。原始粉末的形態(tài) (a) 和粒度分布 (b)。

圖2�？⒐ち⒎襟w (a)、用于拉伸試驗的竣工樣品 (b) 和最終加工的拉伸試樣的幾何形狀 (c)。

圖 5。已建成的Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V（S139）的代表性微觀結(jié)構(gòu)：（a）垂直截面中的 OM 圖像；(b) 水平截面；(c) (a) 的放大圖像；(d) (c) 的放大 SEM 圖像顯示亞微米針狀 α' 以及初級 α'。

圖 6。Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V（S139）樣品的TEM結(jié)果：（a）明場圖像顯示孿晶結(jié)構(gòu)，其中紅色圓圈表示SAED基體；(b)、(c) 和 (d) 是來自 (a) 的相應(yīng)SAED 模式。(b)和(d)中的下標“M”和“T”代表矩陣和孿生。

圖 7。Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V樣品的 EBSD 分析結(jié)果：（a）S125、（b）S139 和（c）S167 的帶對比度圖像；(d)S125、(e) S139 和 (f) S167 的錯誤取向角分布。

圖 9。(a) 竣工 (S139)、(b) HT700、(c)HT800、(d) HT900 Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V 樣品的反極圖。

圖 12。(a) 竣工 (S139) 和 (be) 后熱處理Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V 樣品的邊界圖，

與原始 LPBF 處理的樣品相比，HT700和 HT800 樣品中發(fā)現(xiàn)約 57° 邊界的含量增加。我們推測從 60°/<1 的 再結(jié)晶階段的邊界。~57° 的特殊邊界有利于機械性能。這導致 HT700 和 HT800 樣品 在UTS中僅下降小范圍 (~20 MPa)，與竣工樣品相比，延展性有所提高。

圖 15。顯微硬度 (a)、位移 - 強度曲線 (b) 和拉伸性能(c) 對比 竣工 (S139) 和熱處理后的Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V 樣品。

由于 β 相場的快速冷卻，超 β 熱處理樣品中形成針狀馬氏體。HT970樣品由α板和針狀馬氏體組成，HT1030樣品由全針狀馬氏體組成。由于大的先驗β晶粒，超β熱處理后的樣品延展性變差，顯著低于竣工樣品。