上海理工《Scripta Mater》：3D打印鈦合金晶界α相的析出與粗化！

來源：材料科學與工程

鈦(Ti)合金由于比強度高、耐腐蝕性能優(yōu)異、疲勞性能良好被廣泛應用于航空航天和生物醫(yī)學領域。晶界α-相(GB-α)是Ti合金中常見的組織之一，被認為對力學性能有不利影響。Ti合金中GB-α的形成受一系列因素的影響，如冷卻速度、退火溫度和合金成分。GB-α的形態(tài)可分為連續(xù)型和不連續(xù)型兩種，連續(xù)的GB-α被認為優(yōu)先在β相的大角度晶界(HAGBs)處形成，β鈦合金中不連續(xù)GB-α的形成可能是由于大角度晶界上初生GB-α之間的元素偏析造成。

此外，β相向α相轉(zhuǎn)變過程中的不同選擇也決定了GB-α相的形態(tài)。對Ti-6Al-4V(Ti-64)等激光粉末床融合(LPBF)加工后的Ti合金進行熱處理是獲得理想力學性能的重要途徑。在LPBF處理的Ti合金中，經(jīng)過各種熱處理后，可以很容易地識別出GB-α的存在，而GB-α在制備狀態(tài)下幾乎沒有被注意到。雖然在常規(guī)制造的鈦合金中，GB-α的形成機制已經(jīng)被證實，通常與化學動力和晶體取向有關，但在LPBF加工的鈦合金中，GB-α的生長行為卻很少被報道。

上海理工大學的研究人員探討了GB-α在LPBF處理Ti-64中的析出和粗化行為。相關論文以題為“Grain boundary α-phase precipitation and coarsening: Comparing laser powder bed fusion with as-cast Ti-6Al-4V”發(fā)表在Scripta Materialia。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114261

本文通過氣體霧化法制備合金粉末，合金成分為Ti-6.20Al-4.04V-0.15O-0.01C-0.028N-0.0043H-0.20Fe。激光功率265W，掃描速度1100mm/min，開口距離0.15mm，層厚0.04mm。熱處理溫度為750℃、850℃、950℃，保溫時間1、2、3、6h(水淬)，對比鑄態(tài)Ti-64試樣進行相同熱處理。

研究發(fā)現(xiàn)制備的Ti-64在原有的β晶界上沒有出現(xiàn)GB-α相，與之前的研究一致，在不同溫度熱處理后，GB-α可以在EBSD逆極圖中識別出來。在750℃熱處理的樣品，只能識別出少量的GB-α相，其厚度為0.87±0.23μm；隨著溫度的升高，GB-α呈現(xiàn)出近乎連續(xù)的形貌，850℃/5min后測得其平均厚度為1.19±0.19μm，950℃/5min后測得其平均厚度為1.63±0.13μm。樣品GB-α相主要分布在β晶界的三重連接處(TJs)，GB-α在TJs處的優(yōu)先形核可能與這些位置存在較多的晶體缺陷有關，這些缺陷是由于GB位錯造成的，它導致存儲能量更高，并促進擴散，有益于GB-α相形核。

圖1 750℃/5 min、850℃/5 min、950℃/5 min時α相反極圖和β相反極圖

圖2 750℃/5min、850℃/5min、950℃/5min時EBSD圖

圖3 不同熱處理后LPBF和鑄態(tài)Ti-64的GB-α厚度以及高溫對粗化系數(shù)n的影響

圖4 EBSD分析850℃/5min試樣及生長示意圖

綜上所述，本文研究了LPBF處理Ti-64后熱處理過程中GB-α的析出和粗化行為。Ti-64的顯微組織為全α馬氏體，無GB-α相。在隨后的高溫處理過程中，由于在這些位置的界面能較高，GB-α在之前β晶界的TJs處迅速析出和生長。高溫熱處理過程中，GB-α連續(xù)粗化行為遵循經(jīng)典Lifshiz和Slyozov，Wanger理論(LSW)，該理論表明，在750℃時粗化行為為體擴散，在850℃和950℃時發(fā)生界面反應。在不同溫度下，從體擴散到界面反應的粗化行為變化可能是由于某些α片層出現(xiàn)界面不穩(wěn)定析出，導致GB-α的曲率增大。本研究得出的LPBF處理后退火工藝與GB-α析出和粗化行為之間的相關性有助于進一步提高鈦合金的力學性能。（文：破風）