《Scripta Mater》：熱力循環(huán)對(duì)增材制造鈦合金界面穩(wěn)定性的影響！

來源：材料科學(xué)與工程

增材制造(AM)適用于制造性能獨(dú)特具有復(fù)雜幾何形狀的部件，并且很少產(chǎn)生材料浪費(fèi)。由于零件逐層遞增構(gòu)建，零件內(nèi)的每個(gè)層面都會(huì)經(jīng)歷液相線、固相線和預(yù)熱溫度之間的多次熱回轉(zhuǎn)。這些特征由于空間時(shí)間變化和加熱冷卻速率而變得復(fù)雜。原則上，這些為微觀結(jié)構(gòu)的控制提供了機(jī)會(huì)。隨著幾何形狀的呈現(xiàn)，層的重熔和多次熱回轉(zhuǎn)導(dǎo)致零件出現(xiàn)一定空間時(shí)間特征。這些快速波動(dòng)的瞬態(tài)變化容易受到動(dòng)態(tài)機(jī)械約束，非線性相互作用可能導(dǎo)致復(fù)雜的熱力條件，即壓縮和拉伸之間的熱應(yīng)力和相關(guān)塑性應(yīng)變的瞬態(tài)變化。一般來說，在制造過程中對(duì)這些瞬時(shí)變化進(jìn)行原位檢測幾乎是不可能的。

美國田納西大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種新的方法以描述熱力變化在固相轉(zhuǎn)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(xù)問題，即α→β相變是重建性還是位移性。相關(guān)論文以題為“Role of thermo-mechanical gyrations on the α/β interface stability in a Ti6Al4V AM alloy”發(fā)表在Scripta Materialia。

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

研究發(fā)現(xiàn)Ti6Al4V合金在400℃和650℃之間經(jīng)歷熱力變化后逐漸軟化，塑性壓縮應(yīng)變極限為1%。α和β相之間的動(dòng)態(tài)應(yīng)變分配伴隨著(a→β)相變。在熱力變化循環(huán)中觀察到的β相變化相當(dāng)出乎意料(約5%)，因?yàn)闊崃�學(xué)平衡預(yù)測在該溫度范圍內(nèi)相變可忽略不計(jì)。在加工狀態(tài)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(duì)45和75次循環(huán)樣品進(jìn)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(gè)階段中鋁含量的變化可以忽略不計(jì)。與未進(jìn)行循環(huán)樣品相比，大量的V在熱力變化(45和75循環(huán))過程中重新分配。表明循環(huán)樣品的β相分?jǐn)?shù)增加(未循環(huán)中2.5%→45循環(huán)中5.7%)，并且在快速熱力變化過程中觸發(fā)了動(dòng)態(tài)相變。

圖1 400℃至650℃之間的熱機(jī)械反轉(zhuǎn)循環(huán)

圖2 熱機(jī)械循環(huán)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(dòng)示意圖

由于塑性應(yīng)變的積累，α相儲(chǔ)存的能量增加，從而使β相分?jǐn)?shù)的增加合理化。相界計(jì)算表明，α相中約400 J/mol的過剩能量會(huì)使其不穩(wěn)定并觸發(fā)向β相的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變�？绂�/β界面的元素劃分的定量分析支持重建轉(zhuǎn)換模式。目前的結(jié)果表明，α/β界面穩(wěn)定性和材料軟化之間的密切耦合取決于熱機(jī)械邊界條件，表明在制造零件的計(jì)算建模過程中需要考慮相關(guān)的材料演變。本文為增材制造零件的設(shè)計(jì)和可行性分析提出了可靠的建議。