頂刊：微量B4C添加對(duì)增材制造鈦合金組織及熱處理行為的影響！

來(lái)源：材料科學(xué)與工程

激光粉床熔化（L-PBF）技術(shù)是一種典型的金屬增材制造方法，具有成型致密度高、力學(xué)性能優(yōu)異、可制備復(fù)雜零件和節(jié)省材料等諸多傳統(tǒng)加工方式無(wú)法媲美的優(yōu)勢(shì)。Ti-6Al-4V合金由于具有優(yōu)異的比強(qiáng)度、耐腐蝕性高、生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于增材制造領(lǐng)域。為了進(jìn)一步提高該合金的力學(xué)性能，通過(guò)引入微量增強(qiáng)相以及結(jié)合適當(dāng)?shù)臒崽幚韥?lái)對(duì)Ti-6Al-4V合金進(jìn)行改性是一種有效手段。

近日，來(lái)自加拿大McMasterUniversity的Fereiduni等人的最新研究表明，添加微量B4C作為增強(qiáng)相和適當(dāng)?shù)臒崽幚砜梢杂行д{(diào)控增材制造Ti-6Al-4V合金的微觀組織并顯著提升合金的力學(xué)性能，相關(guān)機(jī)理在文中進(jìn)行了詳細(xì)分析。相關(guān)論文以題為“Unique opportunities for microstructure engineering via trace B4C addition to Ti-6Al-4V through laser powder bed fusion process: As-built and heat-treated scenarios”發(fā)表于Additive Manufacturing。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... 21007041?via%3Dihub

在該項(xiàng)研究中，作者通過(guò)優(yōu)化的L-PBF工藝制備了致密的Ti-6Al-4V合金和Ti-6Al-4V/0.2wt% B4C復(fù)合材料，并通過(guò)DSC對(duì)兩種材料的β相變點(diǎn)進(jìn)行了測(cè)試。DSC結(jié)果表明微量B4C的引入顯著推遲了升溫過(guò)程中放熱峰的到來(lái)以及冷卻過(guò)程中放熱峰的寬化，說(shuō)明Ti-6Al-4V/0.2wt% B4C復(fù)合材料的β相變點(diǎn)（1040℃）明顯高于Ti-6Al-4V合金（960℃）。

圖1Ti-6Al-4V合金和Ti-6Al-4V/0.2 wt% B4C復(fù)合材料的DSC測(cè)試結(jié)果

在測(cè)得兩種材料的β相變點(diǎn)之后，對(duì)兩種材料在亞臨界區(qū)及β單相區(qū)分別進(jìn)行了退火，以探明B4C在熱處理過(guò)程中對(duì)Ti-6Al-4V合金組織演變的作用機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)的Ti-6Al-4V合金截然不同的是，在β單相區(qū)進(jìn)行退火后，Ti-6Al-4V/B4C復(fù)合材料內(nèi)部出現(xiàn)了完全等軸的α晶粒，如圖2所示。此外，該類等軸組織的Ti-6Al-4V/B4C具有極佳的綜合力學(xué)性能，獲得了良好的強(qiáng)度和塑性的結(jié)合。該現(xiàn)象被歸因于Ti-6Al-4V/B4C復(fù)合材料中的針狀TiB相有效限制了α相的生長(zhǎng)。此外，針狀TiB相也避免了冷卻過(guò)程中有害的晶界α相網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成。

圖2Ti-6Al-4V/0.2 wt% B4C復(fù)合材料β固溶處理后的等軸α晶粒

最后，文中對(duì)Ti-6Al-4V合金和Ti-6Al-4V/0.2wt% B4C復(fù)合材料的各種強(qiáng)化機(jī)制進(jìn)行了定量統(tǒng)計(jì)，并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行了比較。證明了B4C的加入對(duì)Ti-6Al-4V合金的強(qiáng)度貢獻(xiàn)主要來(lái)源于Hall-Petch細(xì)晶強(qiáng)化效應(yīng)以及C原子的固溶強(qiáng)化效應(yīng)。此外，TiB相帶來(lái)的載荷傳遞作用以及位錯(cuò)強(qiáng)化也對(duì)Ti-6Al-4V/B4C復(fù)合材料的強(qiáng)度具有一定增強(qiáng)作用，如圖3所示。

圖3 Ti-6Al-4V合金和Ti-6Al-4V/0.2wt% B4C復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)制統(tǒng)計(jì)

總的來(lái)說(shuō)，本文研究表明，通過(guò)引入適量增強(qiáng)相并結(jié)合適當(dāng)?shù)臒崽幚砜梢杂行�提高Ti-6Al-4V合金的綜合性能。此外，此項(xiàng)工作說(shuō)明針對(duì)Ti-6Al-4V合金的熱處理工藝并不適用于鈦基復(fù)合材料。即β熱處理是提高Ti-6Al-4V/B4C復(fù)合材料綜合力學(xué)性能的有效手段。研究結(jié)果對(duì)拓寬鈦合金及鈦基復(fù)合材料在增材制造領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要價(jià)值。