金屬頂刊Acta: 增材制造Ti-6Al-4V合金的微觀結(jié)構(gòu)演化過程

【引言】

激光粉床打印出的Ti-6Al-4V合金的微觀結(jié)構(gòu)通常由α' 針狀馬氏體組成，這使得成品的塑性和韌性都較低，極大地限制了材料的工業(yè)應(yīng)用。通過調(diào)節(jié)打印參數(shù)，控制增材制造的熱歷史，就能夠在打印過程中直接引入α'→ α+β相變，使得最終的微觀結(jié)構(gòu)演化為片層狀細晶α+β結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)相比于馬氏體來說，有著更好的強度與塑性結(jié)合。因此，了解整個α'→ α+β的結(jié)構(gòu)演化過程對于增材制造出優(yōu)異機械性能的Ti-6Al-4V合金是至關(guān)重要的。同時，增材制造過程中的快速熱循環(huán)也給我們創(chuàng)造了觀測這種擴散型相變演化過程的機會。

【成果簡介】

近日，悉尼大學(xué)廖曉舟教授（共同通訊作者），Simon Ringer教授（共同通訊作者），第一作者王昊，迪肯大學(xué)徐嵬教授，晁琦博士，香港理工大學(xué)陳子斌博士 （共同通訊作者）與團隊成員利用透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡、和原子探針發(fā)現(xiàn)了在激光粉床打印鈦鋁釩（Ti-6Al-4V）合金內(nèi)α'→ α+β相變過程中經(jīng)歷了一種V富集的六角密堆相 (HCP) 中間過渡結(jié)構(gòu)αHME 的形成。這種非穩(wěn)態(tài)過渡態(tài)雖然有著和α相類似的HCP結(jié)構(gòu)，其化學(xué)成分卻更接近于β相。該研究揭示了α'→ α+β的結(jié)構(gòu)演化過程。

研究表明，由于不同打印層數(shù)經(jīng)歷了不同的熱歷史，成品Ti-6Al-4V合金沿著打印方向由不同的微結(jié)構(gòu)組成。微觀結(jié)構(gòu)演化遵循如下順序：α' 針狀馬氏體，微量V元素與Fe雜質(zhì)元素富集在馬氏體晶界上（頂層），大量V元素與Fe雜質(zhì)元素富集形成HCP中間非穩(wěn)態(tài)αHME 結(jié)構(gòu)（次頂層），片層狀細晶α+β結(jié)構(gòu) （底層）。該研究首次揭示了α'→ α+β的兩步分解過程：
1）α'首先分解為片層狀α+αHME結(jié)構(gòu)，兩者都是六角密堆結(jié)構(gòu)。
2）隨著循環(huán)熱載荷的增加，αHME 最終演化為 β相（體心立方結(jié)構(gòu)）。即在此相變過程中，元素擴散發(fā)生在晶格轉(zhuǎn)變過程之前。該研究成果以“Formation of a transition V-rich structure during the α' to α + β phase transformation process in additively manufactured Ti-6Al-4 V” 為題刊登在Acta Materialia上。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1：掃描電鏡數(shù)據(jù)展示增材制造鈦鋁釩合金樣品中頂層和底層不同的微結(jié)構(gòu)

a)示意圖指出了掃描電鏡樣品和透射電鏡樣品的取樣位置。

b)頂層樣品的掃描電鏡背散射電子像。主要結(jié)構(gòu)為α' 馬氏體，晶粒內(nèi)部觀測到了大量孿晶。插圖為孿晶的高分辨透射電鏡圖。

c)底層樣品的掃描電鏡背散射電子圖。主要結(jié)構(gòu)為α+β片層結(jié)構(gòu)。顯亮襯度的為β相結(jié)構(gòu)。β相有兩種主要形貌，分別為片層狀與顆粒狀。

圖2：樣品頂層的透射電鏡數(shù)據(jù)

a) 掃描透射高角環(huán)形暗場像 (STEM-HAADF)與對應(yīng)的元素分布圖。

b) 元素分布線形分析，展示釩和鐵在晶界處少量富集。

c ）STEM-HAADF圖揭示了偏析處的原子結(jié)構(gòu)與相鄰區(qū)域相同。偏析處因為較高的平均原子序數(shù)而展現(xiàn)較亮的襯度

d) 對應(yīng)的傅里葉衍射花樣沒有展示任何異樣。

圖3：次頂層的透射電鏡數(shù)據(jù)

a) STEM-HAADF圖與對應(yīng)的元素分布圖。

b) 元素分布線形分析，展示釩和鐵在條狀結(jié)構(gòu)中大量富集。

c -h) STEM-HAADF圖在三種不同軸態(tài)下的α/αHME界面的原子相解析。表明了αHME是HCP結(jié)構(gòu)，同時擁有與α相不同的晶格常數(shù)。

圖3：底層的透射電鏡數(shù)據(jù)

a) STEM-HAADF圖與對應(yīng)的元素分布圖。

b) 元素分布線形分析，展示釩和鐵在β相中大量富集。

c) STEM-HAADF圖在α/β界面的原子相解析。揭示了α與β相的位相關(guān)系為//and (0001)α//{110}β

文獻鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.118104

來源：材料學(xué)網(wǎng)