北科大《MSEA》：實現(xiàn)增材制造鈦合金強塑性良好匹配

來源：材料科學與工程

鈦及鈦合金由于其高強度、低密度、生物相容性好等優(yōu)點在增材制造領域具有極大的應用價值。然而，由于增材制造固有的高冷卻速率，近α及α+β鈦合金的沉積態(tài)組織通常為馬氏體α’組織。馬氏體組織盡管有高的強度，然而延伸率和熱穩(wěn)定性較差，因此在制備后通常需要進行一定的后處理來穩(wěn)定合金的組織和性能。

來自北京科技大學等單位的研究人員針對增材制造制備TA15鈦合金，提出了通過三段熱處理以調(diào)控出合金的三模態(tài)組織，從而獲得優(yōu)異的綜合力學性能。相關論文以題為“Achieving an ideal combination of strength and plasticity in additive manufactured Ti–6.5Al–2Zr–1Mo–1V alloy through the development of tri-modal microstructure”發(fā)表于Materials Science & Engineering A。

論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.msea.2022.142944

TA15鈦合金（Ti–6.5Al–2Zr–1Mo–1V）是一種典型中等強度的近α鈦合金，有較好的高溫力學性能，極佳的可焊性和工藝塑性。與廣泛應用的Ti-6Al-4V合金相比，TA15合金的工作溫度更高，在中等溫度（450-500℃）下具有較高的力學性能。在以往研究中，已有研究報道通過增材制造（如LPBF）制備TA15鈦合金，并展現(xiàn)出良好的應用前景。

本文通過三級熱處理調(diào)控了增材制造LPBF態(tài)TA15鈦合金的微觀組織，以實現(xiàn)在盡量低的消耗強度的基礎上提高合金的延展性。其具體的熱處理制度如下圖所示。所設計的實驗方案對第一階段的冷卻方法、保溫時間以及第二階段的退火溫度的影響進行了研究。并結合合金的微觀組織及對應的力學性能進行了分析，深入闡釋了熱處理過程中TA15合金三模態(tài)微觀組織的形成過程、球化機理及對力學性能的影響。

圖1本文設計的三級熱處理制度

圖2為不同熱處理狀態(tài)下TA15合金的顯微組織。在970°C保溫1.5h后空冷（AC），TA15合金的顯微組織由少量等軸α晶粒、大量層狀α和β轉變組織組成。而在970°C保溫1.5h后爐冷（FC），顯微組織則由大量等軸或短棒狀α、少量層狀α和β轉變組織組成。以及當冷卻方式為水淬（WQ）時，合金的顯微組織由少量殘余初生等軸α、細片狀α和馬氏體α'組成。也就是說，隨著第一階段熱處理的冷卻速率的增加，等軸α相的體積分數(shù)和平均粒徑減小，同時層狀α體積分數(shù)增加、平均寬度減小，β轉變組織的體積分數(shù)變化不大。此外，通過在970°C/2 h/WQ+930 °C/3 h/AC+600 °C/4 h/AC熱處理后，調(diào)控出了包含等軸α、層狀α和β轉變組織的典型三模態(tài)組織，如圖2（f）所示。在該種熱處理制度下，合金的顯微組織由17%的等軸α、48%的層狀α以及35%的β轉變組織組成。

圖2不同熱處理狀態(tài)下TA15合金的顯微組織

(a)970 °C/1.5h/AC, (b) 970 °C/1.5h/FC, (c) 970 °C/1.5h/WQ; (d) HT1, (e) HT2, (f)HT3. 力學性能測試結果表明，在上述三級熱處理制度下，TA15合金的塑性得到極大提升，最高可達到16.07%，如圖3所示。此外，熱處理后材料的屈強比也得到提高。

圖3不同熱處理狀態(tài)下TA15合金的力學性能

總的來說，本文通過針對LPBF制備TA15合金的后處理過程中微觀組織和力學性能演變行為展開了研究。通過本文提出的三級熱處理工藝，成功調(diào)控出了TA15合金的三模態(tài)組織，使得合金在不犧牲過量強度的情況下，塑性得到了極大提升。本文結果對其他增材制造近α合金及α+β鈦合金的后處理過程工藝制定同樣具有指導作用。