《JMST》：增材制造雙相鈦合金的變體選擇行為研究！

來源：材料科學(xué)與工程

鈦合金相變的變體選擇是近年來鈦合金領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，但同時(shí)又是難點(diǎn)之一。由于β相和α相發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)變時(shí)存在伯格斯位向關(guān)系（Burgers  orientation relationship），單一β相可以轉(zhuǎn)化為12種不同的α變體。盡管之前已有大量針對(duì)鈦合金變體選擇的研究，但對(duì)鈦合金增材制造的變體選擇行為還缺乏理解，根本原因可歸因于β→α變體選擇的晶體學(xué)復(fù)雜性。

近日，澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)S.L. Lu等人對(duì)增材制造的雙相鈦合金的變體選擇展開了研究，研究結(jié)果表明在增材制造雙相鈦合金中的柱狀β晶粒和等軸β晶粒內(nèi)部展現(xiàn)出完全不同的變體選擇行為，因此對(duì)合金的力學(xué)性能和變形行為具有顯著影響，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“Variant selection in additively manufactured alpha-beta titanium alloys”發(fā)表于Journal of Materials Science & Technology。

論文鏈接:https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S1005030221010537

雙相鈦合金(α+β)由于其強(qiáng)度高、耐熱性好、綜合力學(xué)性能好，在增材制造領(lǐng)域中占有很大的比重。對(duì)于傳統(tǒng)的雙相鈦合金Ti-6Al-4V和Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo，增材制造后的樣品通常展現(xiàn)出明顯的β柱狀組織。由于成型過程中利于生產(chǎn)的熱梯度的影響，這種β柱狀晶粒通常具有<001>方向平行于構(gòu)建方向BD的織構(gòu)，并在隨后相變過程中會(huì)導(dǎo)致α相的<0001>方向與水平面成0°或45°左右，最終對(duì)合金的力學(xué)性能和變形行為產(chǎn)生顯著影響。由于β相向α相轉(zhuǎn)變過程存在伯格斯位向關(guān)系，單一β相可以隨機(jī)轉(zhuǎn)化為12種不同的α變體。顯然，增材制造過程中，α變體的產(chǎn)生并不是隨機(jī)的，即發(fā)生了明顯的變體選擇。

本文通過調(diào)節(jié)激光金屬粉末沉積（laser  metal powder  deposition, LMD）工藝參數(shù)分別合成了具有柱狀β晶粒和等軸β晶粒的Ti-6Al-4V、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo和Ti-4Al-2V雙相鈦合金，其微觀組織如下圖所示。

圖1具有柱狀和等軸β晶粒的雙相鈦合金

如圖2所示，對(duì)晶界角度進(jìn)行分析表明，具有柱狀晶粒的雙相鈦合金內(nèi)部以63°位向角為主，而具有等軸晶粒的雙相鈦合金內(nèi)部則以60°位向角為主。這表明柱狀和等軸β晶粒內(nèi)部不同的變體選擇行為的發(fā)生。

圖2合金內(nèi)部的晶界角度分布圖

如圖3所示，通過對(duì)β相晶粒進(jìn)行重構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)各類α變體的識(shí)別。具體的關(guān)于各字母代表的變體的定義已在文中給出，此處不做贅述。總體結(jié)果表明等軸β晶粒內(nèi)部發(fā)生了更為明顯的變體選擇現(xiàn)象。進(jìn)一步的分析表明，柱狀β晶粒內(nèi)部產(chǎn)生了大量的第二類型團(tuán)簇（CategoryII clusters），該類團(tuán)簇由A/E/I、B/D/L、C/G/K、F/H/J類型α變體構(gòu)成，且變體間α具有60°/[11 -2 0]的界面。而等軸晶粒內(nèi)部則產(chǎn)生了大量第一類型團(tuán)簇（CategoryI clusters），該類團(tuán)簇由A/B/C、D/E/F、G/H/I、J/K/L類型α變體構(gòu)成，且變體間具有63.26°/[-105 5 -3]界面。

圖3柱狀β晶粒和等軸β晶粒內(nèi)部的變體選擇行為

通過對(duì)柱狀β晶粒和等軸β晶粒內(nèi)部α變體的施密特因子進(jìn)行分析，等軸β晶粒內(nèi)部的α變體展現(xiàn)出較低的累積施密特因子分布。尤其是在較高的施密特因子（>0.45）區(qū)域，柱狀β晶粒的占比明顯比等軸晶粒多。這可能是由于柱狀β晶粒內(nèi)部的相變織構(gòu)導(dǎo)致α的<0001>方向與水平面成45°，從而平行于拉伸過程的最大剪切應(yīng)力所致。相反，對(duì)于等軸β晶粒而言，由于整體較弱的織構(gòu)，內(nèi)部不會(huì)存在這種微觀織構(gòu)上的缺點(diǎn)，因此等軸β晶粒往往展現(xiàn)出較高的屈服強(qiáng)度。

圖4施密特因子分布圖

本文對(duì)具有不同β晶粒形貌的增材制造雙相鈦合金的變體選擇行為展開了研究。總的來說，具有不同β晶粒形貌的雙相鈦合金（等軸和柱狀）合金內(nèi)部展現(xiàn)出截然不同的變體選擇行為，從而顯著影響了兩種微觀組織的變形行為和力學(xué)性能。通過本文中的研究結(jié)果，通過設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)脑霾闹圃旃に囘^程，從而實(shí)現(xiàn)β晶粒形貌和α變體選擇的有效調(diào)控，將有助于獲得力學(xué)性能優(yōu)異的增材制造雙相鈦合金。