強度最高的新型鈦合金——Ti185合金的選擇性激光熔融制造

導(dǎo)讀：Ti-1Al-8V-5Fe (Ti-185)等含鐵β -Ti合金因其強度高（抗拉強度高達1600MPa）、成本低而受到人們的青睞。然而，由于強的Fe元素偏析和β相顆粒的形成，這些合金不能通過鑄錠鑄造生產(chǎn)。本研究中以單質(zhì)Ti、Fe粉末和不規(guī)則形狀的Al-V中間合金粉末為原料，采用選擇性激光熔化(SLM)技術(shù)成功地制備了Ti-185部件。

在本研究中，Ti-185作為一種新型材料被用于選擇性激光熔化(SLM，一種基于粉末床的增材制造技術(shù))的制造中。相對于α + β級，關(guān)于β鈦合金AM的研究很少。這被認為是由于可用于SLM制造的粉末很稀有。本工作的主要目的是研制Ti-185合金的打印組件，且具有最小的偏析和孔隙，合理的力學(xué)性能。在金屬加熱過程中，冷卻速率可達103-104°C/s，這可以大大減少Fe偏析，減少β顆粒的形成，確保獲得最佳的屈服強度和韌性。Eylon和Froes指出，Ti-185應(yīng)該只用于能夠從液體快速轉(zhuǎn)化為固體的過程中。由此可見，增材制造具有高凝固速率的特點，是唯一適合加工Ti-185的材料。

相關(guān)研究以題為“Additive manufacturing of a novelTi-Al-V-Fe alloy using selective laser Melting“的論文，被發(fā)表在《AdditiveManufacturing》期刊上。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.04.006

鈦合金具有較高的比強度和較高的工作溫度。近年來，β -Ti合金因其較高的強度以及較其它Ti合金更好的韌性和抗疲勞性能而得到了廣泛的研究。這些合金含有大量的β穩(wěn)定元素(Mo, V, Cr, Fe)。由于成本高，β -Ti合金的大規(guī)模采用受到限制，這部分是由于Mo、V和Cr合金元素的成本。

Ti-1Al-8V-5Fe (Ti-185)是一種獨特的低成本β -Ti合金，與Ti-10V-2Fe-3Al (Ti-1023)和Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr (Ti-5553)相比，它含有較低成本的合金元素，特別是Fe，同時提供高強度和疲勞壽命。盡管Ti-185在50多年前就獲得了專利，但使用傳統(tǒng)的加工方法在商業(yè)上并不可行。這是因為鑄造過程中Fe發(fā)生了強烈的微偏析，導(dǎo)致成分變化較大，并導(dǎo)致脆性相的析出。在目前Ti-185合金的少數(shù)可實施應(yīng)用中，多是通過對合金進行熱處理，以產(chǎn)生由β基體和晶界初生α相組成的微觀組織，以及晶粒內(nèi)部α析出相的納米級分布。

Joshi等人開發(fā)了Ti-185的加工路線，即粉末冶金結(jié)合熱機械加工。這樣就避免了Fe的偏析和有害β斑相的形成(β斑相是富含β穩(wěn)定元素的β相區(qū)域，如Fe和/或Cr)。雖然Ti-185合金性能優(yōu)異(拉伸強度1655MPa，伸長率4 - 6%)，但在制作組件時，需要經(jīng)過漫長而昂貴的燒結(jié)處理和多次軋制步驟。Devaraj從相同的材料開始，通過在β -超溫下時效處理，在β -基體中開發(fā)了具有非常精細的初生和次生α的分級納米結(jié)構(gòu)合金。這種顯微組織產(chǎn)生了強度和延展性的獨特組合，超過了現(xiàn)有的所有商業(yè)鈦合金。

圖1 (a)本研究所用Ti-185粉末的SEM圖像，(b)預(yù)制樣品的XRD圖譜，(c)粒徑分布分析。

圖2 (a, b)在拋光和腐蝕條件下的建成樣品的光學(xué)顯微圖，(c)建成樣品和隨后加熱到1200°c然后水淬的樣品的XRD圖，(d)建成樣品在建成方向的EDS線掃描。(注意:Fe線和V線相互重疊)。

圖3所示。(a)建成結(jié)構(gòu)的光學(xué)顯微圖;(b)來自(a)框的高分辨率圖像，顯示出不均勻的沉淀分布。構(gòu)建方向是垂直的。

圖4所示。由疊加的晶界圖(白點為無索引點，實線為高角度晶界)和(b) (a)中高亮區(qū)域的α相圖(注:β (β)相矩陣中的晶界被初級α相裝飾，(c)對應(yīng)的鐵(Fe)圖顯示了鐵在α和β (β)區(qū)域之間的分配。

圖5所示。Ti-185合金在SLM和后熱處理過程中的溫度-時間剖面示意圖。對于O值為0.78 wt.%的Ti-185，平衡熔化溫度為1650℃，β-過渡溫度為980℃。

圖6所示。(a)建成樣品的亮場TEM圖像;(b)衍射圖和(c)， (d) α相和ω相的暗場圖像;(e)β基體內(nèi)位錯結(jié)構(gòu);(f)分析顯示α β， n d ω，，斑點的衍射圖。

圖7 在(a, c) 800℃時效1 h和(b, d) 960℃時效30min時，晶粒尺寸和α析出相的演變。生成方向為垂直方向。

圖8 Ti-185試樣的預(yù)制和熱處理(960°C-30min)的真壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線。故障點由交叉標識。

表1 (近)β- β Ti合金的壓縮力學(xué)性能。

最終，用SLM法成功地生產(chǎn)出了一種因鑄錠過程中嚴重偏析而易發(fā)生脆性的含鐵鈦合金Ti-185。在Ti-185中發(fā)現(xiàn)的小晶粒和這些β顆粒的缺失提供了強有力的冶金證據(jù)，表明Ti-185是一種很有前途的SLM材料。強度和塑性的顯著結(jié)合是由于非常細的晶粒結(jié)構(gòu)、分布在β (β)基體中的納米級α相、高位錯密度以及高氧含量。

通過對預(yù)制構(gòu)件的微觀結(jié)構(gòu)分析表明，SLM可以用于產(chǎn)生具有納米級析出相和非有害的鐵偏析的非常細的晶粒組織。這一結(jié)果可以用SLM過程中的快速凝固條件來解釋。壓縮試驗結(jié)果表明，無論是打印試樣還是熱處理試樣，都能獲得超高強度和合理的延性。該工藝為增材制造新系列含鐵鈦合金的開發(fā)開辟了一條新的途徑。