原位Ni合金化增強(qiáng)激光輔助增材制備Ti-6Al-4V合金

來源：長(zhǎng)三角G60激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：據(jù)悉，鈦合金具有密度低、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、汽車、醫(yī)藥等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。為了滿足輕量化和高性能的要求，基于“離散+積累”原理開發(fā)的激光輔助增材制造（LAAM）技術(shù)在鈦結(jié)構(gòu)件制造中逐漸顯示出廣闊的應(yīng)用前景。LAAM鈦合金的典型微觀結(jié)構(gòu)是外延生長(zhǎng)的柱狀晶粒。這種微觀結(jié)構(gòu)特征導(dǎo)致了強(qiáng)烈的<001>織構(gòu)，這通常被認(rèn)為是各向異性力學(xué)性能甚至強(qiáng)度降低的主要原因。

原位鎳合金化對(duì)LAAM Ti-6Al-4V合金的顯微組織有四種影響。（i）鎳增材能顯著細(xì)化β晶粒。（ii）鎳增材可明顯誘導(dǎo)球狀α相的形成。（iii）鎳增材可以誘導(dǎo)Ti2Ni納米顆粒的沉淀。（iv）Ni是一種著名的β-穩(wěn)定劑，它可以顯著增加β相的體積分?jǐn)?shù)。室溫拉伸結(jié)果表明，隨著鎳增材量的增加，機(jī)械強(qiáng)度增加，伸長(zhǎng)率幾乎呈線性下降。采用改進(jìn)的數(shù)學(xué)模型對(duì)強(qiáng)化機(jī)理進(jìn)行定量分析。結(jié)果表明，在本研究中，α板條相和固體溶質(zhì)對(duì)LAAM構(gòu)建的Ti-6Al-4V-xNi合金的整體屈服強(qiáng)度貢獻(xiàn)最大。

在《International Journal of Extreme Manufacturing》（IF:10.036）上發(fā)表的一篇新論文中，一個(gè)聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，包括新加坡制造技術(shù)研究所的Youxiang Chew博士、Fei Weng,博士、Chaolin Tan博士和Zhenglin Du博士，以及廣東智能制造研究所的Guijun博士，采用原位鎳合金化方法對(duì)LAAM-Ti-6Al-4V合金進(jìn)行了微觀結(jié)構(gòu)調(diào)整，提高了合金的強(qiáng)度。鎳在AM構(gòu)建的Ti–6Al–4V合金上增材的內(nèi)在機(jī)制已得到很好的確定，這有助于促進(jìn)AM定制鈦合金的開發(fā)。

實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)

鎳增材對(duì)LAAM Ti-6Al-4V合金的顯微組織有以下四種影響：（i）隨著鎳含量的增加，LAAM Ti-6 Al-4V-xNi的前β晶粒形態(tài)逐漸由柱狀變?yōu)榈容S狀，尺寸先減小后增大。（ii）隨著鎳含量的增加，形成更多球狀α相。（iii）鎳增材誘導(dǎo)Ti2Ni納米顆粒沉淀。（iv）鎳增材增加了β相的含量，而降低了α相的含量。因?yàn)樗�是一種β-穩(wěn)定元素。因此，LAAM Ti-6Al-4V-xNi合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨Ni含量的增加呈線性增加，而塑性則呈相反的趨勢(shì)。

首席研究員之一Bi Guijun博士表示，“激光輔助增材制造（LAAM）技術(shù)以粉末喂料為特征，可以實(shí)時(shí)調(diào)整化學(xué)元素的含量，實(shí)現(xiàn)原位合金化，在闡明合金元素效應(yīng)和開發(fā)定制合金方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。”

先驗(yàn)β晶粒的OM觀測(cè)及定量統(tǒng)計(jì)結(jié)果。(a) Ti–6Al–4V; (b) Ti–6Al–4V–1.1Ni; (c) Ti–6Al–4V–1.7Ni; and (d) Ti–6Al–4V–2.5Ni.

鎳元素在鈦合金中有增大成分過冷度的大趨勢(shì)，通常會(huì)導(dǎo)致鑄件中嚴(yán)重的宏觀偏析。第一作者Shang Sui博士解釋說：“LAAM工藝中的冷卻速度可以達(dá)到103-105°C/s，顯著抑制宏觀元素的偏析。因此，共析元素Ni對(duì)鑄件來說并不理想，通過控制其含量，可能適合于LAAM處理的鈦合金�！�

Fei Weng博士解釋道：“與鎳元素類似，銅也是共析元素，不適合鑄造鈦合金。然而，最近在《Nature》雜志上發(fā)表的文章表明，添加銅可以促進(jìn)超細(xì)晶粒的形成，并在添加金屬的鈦合金中產(chǎn)生高強(qiáng)度。”

本研究詳細(xì)研究了微觀結(jié)構(gòu)演變和強(qiáng)度增強(qiáng)的基本機(jī)制。終止質(zhì)量遷移理論表明，元素在α相和β相之間的擴(kuò)散是α相球化的主要驅(qū)動(dòng)力。此外，還采用了改進(jìn)的強(qiáng)化模型來定量計(jì)算屈服強(qiáng)度。定量分析表明，精制α板條相和固體溶質(zhì)的強(qiáng)化作用對(duì)LAAM制備的Ti-6Al-4V-xNi（x=0，1.1，1.7，2.5 wt.%）合金的整體屈服強(qiáng)度起主導(dǎo)作用。

TEM檢測(cè)到LAAM構(gòu)建的Ti–6Al–4V–xNi（x=1.1，2.5 wt.%）合金的結(jié)果。（a） Ti–6Al–4V–1.1Ni合金中的Ti2Ni納米顆粒。（b） Ti–6Al–4V–2.5Ni合金中的Ti2Ni納米顆粒。

此外，鎳是一種β-穩(wěn)定元素，將在β相富集。β相中的大量固溶體鎳原子顯著提高了其強(qiáng)度，同時(shí)降低了材料的變形能力�？紤]到鈦合金中α相和β相交替排列，β相變形能力的惡化限制了α相的變形，導(dǎo)致伸長(zhǎng)率降低。

LAAM構(gòu)建Ti–6Al–4V–xNi（x=0，1.1，1.7，2.5 wt.%）合金的斷口分析。

來源：Study of the intrinsic mechanisms of nickel additive for grain refinement and strength enhancement of laser aided additively manufactured Ti–6Al–4V, International Journal of Extreme Manufacturing, 10.1088/2631-7990/ac6b61