西工大《JMST》：激光增材制造近等軸β晶鈦合金的組織性能研究！

來源：材料科學(xué)與工程

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本研究通過調(diào)控工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)了具有近等軸β晶粒組織的Ti60（Ti-5.7Al-4.0Sn-3.5Zr-0.4Mo-0.4Si-0.4Nb-1.0Ta-0.05C）鈦合金的激光增材制造。建立了考慮多組元影響的Ti60鈦合金的CET曲線，并結(jié)合熔池凝固過程溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬，揭示了近等軸晶組織的形成機(jī)理。提出凝固溫度區(qū)間𝛥𝑇𝑓相比生長(zhǎng)抑制因子𝑄能夠更好地預(yù)測(cè)不同種類鈦合金的等軸晶形成趨勢(shì)。激光增材制造近等軸晶Ti60合金的力學(xué)性能各向異性降低，沿沉積方向的α相尺寸變化是引起橫縱向試樣中室溫拉伸性能差異的主要原因。

背景介紹

激光增材制造鈦合金組織多以外延生長(zhǎng)的柱狀晶為主，其內(nèi)部分布著板條狀的α相或針狀的馬氏體α′，性能呈高強(qiáng)低塑特性，且有明顯的各向異性。因此，激光增材制造鈦合金的成形件或修復(fù)件的綜合力學(xué)性能難以滿足使用要求。實(shí)現(xiàn)激光增材制造鈦合金組織晶粒等軸化是解決該問題的關(guān)鍵舉措。本研究以我國(guó)自主研制的近α型鈦合金Ti60為研究對(duì)象，重點(diǎn)開展了基于粉末送進(jìn)的激光增材制造Ti60 鈦合金晶粒等軸化及室溫拉伸斷裂失效機(jī)制研究，揭示了該合金顯微組織演變規(guī)律及其對(duì)力學(xué)性能的影響機(jī)制，為激光增材制造Ti60 鈦合金的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和實(shí)踐依據(jù)。

本文亮點(diǎn)

1）僅調(diào)控工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)了近等軸β晶粒組織Ti60鈦合金的激光增材制造
2）提出凝固溫度區(qū)間𝛥𝑇𝑓能夠更好地預(yù)測(cè)不同種類鈦合金的等軸晶形成趨勢(shì)
3）降低了激光增材制造Ti60合金的力學(xué)性能各向異性

圖文解析

近等軸β晶粒及晶內(nèi)亞結(jié)構(gòu)

激光增材制造Ti60鈦合金近等軸晶組織的主要特征是交替出現(xiàn)的短棒狀柱狀晶和細(xì)小等軸晶，柱狀晶的外延生長(zhǎng)被限制在相鄰熔覆層之間，平均晶粒尺寸為80.3 μm。此外，激光增材制造過程中獨(dú)特的熱循環(huán)導(dǎo)致了層帶結(jié)構(gòu)的形成，且層帶結(jié)構(gòu)同時(shí)包含粗大的初始α板條和細(xì)小的二次α板條。

圖1 激光增材制造Ti60鈦合金的顯微組織

圖2 EBSD測(cè)試結(jié)果（a）及初始β晶粒的重構(gòu)（b）

室溫拉伸性能及斷裂失效機(jī)制

激光增材制造Ti60鈦合金橫向試樣和縱向試樣的室溫拉伸性能均達(dá)到鍛件標(biāo)準(zhǔn)，且前者的室溫拉伸性能優(yōu)于后者。近等軸晶組織顯著降低了激光增材制造Ti60鈦合金室溫拉伸強(qiáng)度的各向異性，但是塑性仍有較為明顯的差異。力學(xué)性能差異的主要原因是縱向試樣具有沿沉積方向的不均勻顯微組織（主要體現(xiàn)在α相尺寸），而橫向試樣的顯微組織相對(duì)均勻。

圖3 激光增材制造Ti60鈦合金的室溫拉伸性能

圖4 激光增材制造Ti60鈦合金沉積態(tài)試樣不同高度處α板條形貌：

(a)底部；(b)中部；(c)頂部；(d)α板條寬度和維氏硬度之間的關(guān)系

等軸β晶粒的形成機(jī)理

熔池凝固過程中，隨著凝固條件的改變，晶粒形態(tài)從底部的柱狀逐漸變?yōu)轫敳康牡容S狀。本研究所選擇的工藝參數(shù)可以很好的保留每層熔覆層頂部形成的等軸晶，從而有效的阻礙了柱狀晶的外延連續(xù)生長(zhǎng)，進(jìn)而獲得近等軸組織。

圖5 （a）凝固過程中熔池不同位置的溫度場(chǎng)模擬情況；（b）溫度梯度𝐺和凝固速率𝑉隨熔池局部深度𝑧(𝑧 = 0對(duì)應(yīng)于表面)的變化規(guī)律；（c）激光增材制造Ti60鈦合金近等軸晶粒組織形成示意圖

圖6 Ti60鈦合金的CET曲線與熔池凝固不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)的凝固條件

成分過冷是造成CET的主要原因。成分過冷區(qū)高度𝛥𝑇𝐻和成分過冷區(qū)寬度𝛥𝑍是描繪成分過冷區(qū)的重要特征參量。在相同的凝固條件下，𝛥𝑇𝐻和𝛥𝑍的值取決于兩個(gè)變量：平衡溶質(zhì)分配系數(shù)𝑘0和液相擴(kuò)散系數(shù)𝐷。不同溶質(zhì)元素的𝐷值基本處在同一個(gè)數(shù)量級(jí)，這也意味著𝐷值的變化對(duì)𝛥𝑇𝐻和𝛥𝑍值影響較小。然而，在鈦合金液相中，不同溶質(zhì)元素的𝑘0可以相差兩個(gè)數(shù)量級(jí)。Ti60鈦合金的𝑄值小于TC21（Ti-6Al-2Sn-2Zr-3Mo-1.5Cr-2Nb）合金，然而前者具有更大的凝固溫度區(qū)間。當(dāng)用𝑄值當(dāng)做判斷依據(jù)時(shí)，TC21是容易獲得等軸晶的，而實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻與此相悖。反之，若采用𝛥𝑇𝑓值作為判斷依據(jù)，便可以很好的預(yù)測(cè)不同種類鈦合金的等軸趨勢(shì)。

圖7 不同類型鈦合金的凝固溫度區(qū)間和生長(zhǎng)抑制因子及其對(duì)應(yīng)的晶粒特征

總結(jié)與展望

本研究基于激光增材制造技術(shù)制備了具有近等軸組織的Ti60鈦合金，揭示了等軸晶的形成機(jī)理，并通過分析成分過冷區(qū)的特征參量高度𝛥𝑇𝐻和寬度𝛥𝑍，提出基于凝固溫度區(qū)間來預(yù)測(cè)鈦合金等軸晶形成趨勢(shì)，發(fā)展了激光增材制造鈦合金等軸β晶粒的調(diào)控方法，即通過實(shí)時(shí)改變成形過程中的工藝參數(shù)（例如激光功率、掃描速率等），減小稀釋區(qū)深度，保留每層或每幾層熔覆層頂部的等軸晶，以阻礙初始柱狀晶的外延生長(zhǎng)，進(jìn)而獲得等軸組織。研究成果有助于增材制造專用鈦合金的設(shè)計(jì)與制備。