西工大鈦合金增材制造重要突破，實(shí)現(xiàn)全等軸晶成形

來源：材料科學(xué)與工程
金屬增材制造技術(shù)也被稱為3D打印技術(shù)，因其具有區(qū)別于傳統(tǒng)成形方式的逐點(diǎn)逐層成形工藝特點(diǎn)，使得復(fù)雜零部件的直接制造成為可能，在航空航天等高端制造領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。然而，由于其成形過程中極高的溫度梯度，最終形成的宏觀晶粒往往為柱狀晶粒，其顯微組織和力學(xué)性能呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的各向異性，即平行與垂直于沉積方向（打印高度方向）的強(qiáng)塑性具有較大差異。而等軸晶組織的實(shí)現(xiàn)一直被認(rèn)為是解決這一問題的最佳方案，目前已有研究者提出了多種調(diào)控手段，如優(yōu)化成形工藝條件、改變合金化學(xué)成分、附加鍛壓或超聲設(shè)備等。然而對于大部分金屬材料，尤其是應(yīng)用最為廣泛的TC4鈦合金，成形工藝優(yōu)化一直被認(rèn)為無法獲得全等軸晶組織。但成形工藝調(diào)控具有低成本附加，不改變合金成分，可實(shí)現(xiàn)原位調(diào)控的優(yōu)勢，仍是潛在的優(yōu)選措施。

近日，西北工業(yè)大學(xué)增材制造研究團(tuán)隊(duì)通過深入分析金屬增材制造熔池特征和凝固過程中的晶粒生長行為，創(chuàng)造性地提出了一種原位工藝參數(shù)調(diào)整策略，該技術(shù)方案通過保留熔池頂部CET獲得的等軸晶粒，在TC4鈦合金中獲得了全等軸晶組織。相關(guān)工作以“In-situ grain structure control in directed energy deposition of Ti6Al4V”為題在增材制造領(lǐng)域頂刊Additive Manufacturing上發(fā)表。西北工業(yè)大學(xué)王猛教授，林鑫教授和陳靜教授為通訊作者。

原文鏈接:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860422002640

在鈦合金增材制造過程中，受控于成形工藝參數(shù)及其形成的熔池內(nèi)部溫度場特征，熔池底部往往生長為柱狀晶，而熔池頂部由于發(fā)生柱狀晶/等軸晶轉(zhuǎn)變（CET），往往形成一定厚度的等軸晶區(qū)。在傳統(tǒng)的單一成形工藝參數(shù)條件下，由于后一層沉積時再熔化深度大于等軸晶區(qū)厚度，等軸晶區(qū)會在下一層沉積過程中被完全重熔，從而在成形結(jié)構(gòu)中形成從結(jié)構(gòu)底部到頂部外延生長的柱狀晶組織。

基于增材制造過程逐點(diǎn)、逐線、逐層工藝調(diào)控的靈活性，該項(xiàng)研究通過在不同層間切換低能量密度和高能量密度成形參數(shù)，使熔池頂部的等軸晶區(qū)被部分保留，有效阻斷了柱狀晶的外延生長。與此同時，以等軸晶粒為基底再次生長柱狀晶粒時，由于存在晶粒競爭生長，獲得的外延生長晶粒形態(tài)向等軸晶逼近。結(jié)合增材制造過程中后熱循環(huán)作用下的晶粒粗化行為，最終獲得的沉積態(tài)組織呈現(xiàn)為全等軸的晶粒形貌。

圖1交替參數(shù)成形工藝（APP）樣品沉積策略示意圖。(a) 周期性交替使用1200 W和2400 W的激光功率；(b) 周期性交替使用10 mm/s和20 mm/s的掃描速度

圖2 傳統(tǒng)成形工藝（CPP）與交替功率成形工藝（APP）獲得的宏觀晶粒形貌。(a) CPP-1200 W；(b) CPP-2400 W；(c)APP-1200 W&2400 W。

圖3 傳統(tǒng)成形工藝（CPP）與交替掃速成形工藝（APP）獲得的宏觀晶粒形貌。(a)CPP-10 mm/s；(b) CPP-20 mm/s；(c)APP- 10mm/s & 20 mm/s。

圖4 傳統(tǒng)成形工藝（CPP）與交替參數(shù)成形工藝（APP）宏觀晶粒EBSD圖及極圖。

圖5交替參數(shù)成形工藝（APP）三個不同截面的晶粒EBSD圖及相應(yīng)極圖

從宏觀晶粒形貌光鏡圖和EBSD圖中可以看到，通過交替使用兩套不同的成形工藝參數(shù)，宏觀晶粒形貌由任何一個單一參數(shù)時的粗大柱狀晶，轉(zhuǎn)變?yōu)榻惶鎱��?shù)時的等軸晶。進(jìn)一步的α相和β相極圖分析表明，所獲得的全等軸晶結(jié)構(gòu)織構(gòu)強(qiáng)度明顯降低，在三個不同平面上具有相近的織構(gòu)指數(shù)。

圖6 (a) 傳統(tǒng)成形工藝（CPP）與交替參數(shù)成形工藝（APP）獲得試樣橫縱兩向的室溫拉伸性能對比；(b) APP試樣力學(xué)性能各向異性與現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道的對比

在增材制造TC4鈦合金的前期研究中，所獲得的宏觀晶粒主要為柱狀晶粒，因此即使通過調(diào)控工藝參數(shù)的手段降低成形結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度指標(biāo)各向異性，塑性指標(biāo)各向異性仍然維持在較高水平（>10%）。而本研究中通過形成等軸晶，力學(xué)性能強(qiáng)度和塑性的各向異性指標(biāo)分別降低到2.4%和3.8%。相比于單一成形參數(shù)，獲得的力學(xué)性能各向異性顯著降低，不僅實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度指標(biāo)的各向同性（<5%），同時實(shí)現(xiàn)了塑性指標(biāo)的各向同性（<5%）。這一研究成果有望提高增材制造鈦合金零件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)自由度，并進(jìn)一步推動增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

圖7 增材制造過程中TC4鈦合金的CET行為 及APP試樣中獲得等軸晶的原理

圖8 APP試樣等軸晶形成原理示意圖

該研究通過周期性改變成形工藝參數(shù)，充分利用增材制造熔池凝固過程中熔池頂部CET等軸晶區(qū)，結(jié)合晶粒競爭生長和熱循環(huán)粗化，在增材制造TC4鈦合金中獲得了全等軸晶的晶粒形貌和各向同性的優(yōu)異力學(xué)性能。由于CET是金屬增材制造中的普遍現(xiàn)象，因此該技術(shù)方案在其它希望獲得等軸晶的合金體系中也有望獲得應(yīng)用。總的來說，本研究充分利用了增材制造過程中工藝參數(shù)可實(shí)時靈活調(diào)控的特點(diǎn)，通過一個較為便捷的方案，解決了一個多年來被業(yè)界廣泛關(guān)注的問題。