《Mater Des》：增材制造具有優(yōu)異性能近β-Ti合金的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

來源：材料科學(xué)與工程

亞穩(wěn)態(tài)β型鈦合金是無毒新型生物材料，它們具有優(yōu)異的耐腐蝕性、高強(qiáng)度和接近骨骼的低彈性模量。在β-Ti合金中，添加Nb作為合金元素有助于穩(wěn)定β相。商業(yè)化的Ti-13Nb-13Zr合金具有良好的生物相容性，并獲得了外科應(yīng)用認(rèn)證。合金元素和生產(chǎn)過程控制的微觀結(jié)構(gòu)決定了Ti-13Nb-13Zr試樣的腐蝕行為。增材制造(AM)的發(fā)展不僅為復(fù)雜試樣的近凈成形制造提供了機(jī)會，還為調(diào)整微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)而調(diào)控機(jī)械和腐蝕性能提供了契機(jī)。與對經(jīng)典合金（例如Ti-6Al-4V）的大量激光粉末床融合（LPBF）研究相比，迄今為止對亞穩(wěn)態(tài)、近β Ti合金的研究還相對較少。目前使用LPBF制造Ti-13Nb-13Zr的研究揭示了巨大的創(chuàng)新潛力和挑戰(zhàn)。合金雖表現(xiàn)出更好的機(jī)械性能，然而LPBF生產(chǎn)的Ti-13Nb-13Zr試樣經(jīng)熱處理強(qiáng)化后，彈性模量僅增加約15%，增材制造部件相對密度達(dá)到99%仍是一個挑戰(zhàn)。

德國復(fù)合材料研究所的一項(xiàng)最新研究探討了LPBF工藝參數(shù)、熱處理?xiàng)l件和相應(yīng)微觀結(jié)構(gòu)之間的影響關(guān)系，通過調(diào)整工藝參數(shù)，使試樣相對密度超過99%。相關(guān)論文以題為“Designing the microstructural constituents of an additively manufactured near β Ti alloy for an enhanced mechanical and corrosion response”發(fā)表在Materials & Design。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.110618

本研究原料為商用鍛制Ti-13Nb-13Zr棒，應(yīng)用電極感應(yīng)熔化惰性氣體霧化制備成粉末，粉末尺寸為20-60μm。LPBF參數(shù)范圍：點(diǎn)距離10-60μm；曝光時間20-120μs；激光功率106-125W；孵化距離100μm；層厚度30μm。制備后試樣經(jīng)不同熱處理，分別為900℃×1h水淬（簡稱900WQ）；900℃×1h冰淬（簡稱900IQ）；660℃×1h水淬（簡稱660WQ）；800℃×30min爐冷+500℃×6h風(fēng)冷（簡稱LCA）。

研究發(fā)現(xiàn)，輸入激光功率(<50 J/mm3)和240μm的較低熔道寬度有助于實(shí)現(xiàn)大于99%的相對密度。低輸入能量參數(shù)影響的微觀結(jié)構(gòu)，使其形成接近完全馬氏體的α'狀態(tài)，β<1%。本研究中LPBF樣品的β轉(zhuǎn)變溫度為770℃，比鍛造合金高40℃，比相同LPBF生產(chǎn)合金的報(bào)告值高出近90℃。鍛造和LPBF樣品熱處理后，均顯示出經(jīng)典的兩相α+β微觀結(jié)構(gòu)。900℃和660℃熱處理結(jié)果表明，LPBF試樣由于快速冷卻，900IQ樣品中α''相的體積分?jǐn)?shù)最高(46%)。α''相的體積分?jǐn)?shù)為900IQ>900WQ(40%)>660WQ(15%)。β的體積分?jǐn)?shù)為660WQ(32%)>900WQ(18.4%)>900IQ(16.6%)。

圖1 LPBF制備的Ti-13Nb–13Zr試樣以及樣品的相對密度圖。

圖2 圓柱形樣品的俯視圖和三維重建圖像

圖3 鍛態(tài)和LPBF制備合金的SEM圖

圖4 不同熱處理對試樣顯微組織的影響

圖5 不同試樣拉伸工程應(yīng)力應(yīng)變曲線

LPBF合金的屈服強(qiáng)度較低（430MPa），但最大伸長率為17%。經(jīng)熱處理后由β、α'、α''組成的三相顯微組織提高了LPBF合金的機(jī)械強(qiáng)度，同時保持9-12%的延展性。屈服強(qiáng)度排列為：未熱處理合金<900WQ<660WQ