西工大頂刊丨近等軸晶粒Ti60鈦合金的激光增材制造及其組織和拉伸性能

來源： 增材制造碩博聯(lián)盟

激光增材制造LAM鈦合金的顯微組織多以外延生長的柱狀晶為主，性能呈高強低塑特性，且具有明顯的各向異性，激光增材制造成形的鈦合金零件或修復件其綜合力學性能難滿足使用要求。實現(xiàn)激光增材制造鈦合金顯微組織晶粒的等軸化是解決該問題的重要措施。

西北工業(yè)大學陳靜教授團隊以我國自主研制的近α型鈦合金Ti60為研究對象，重點研究了基于送粉的激光直接能量沉積增材制造Ti60 鈦合金晶粒等軸化及室溫拉伸性能，揭示了增材制造Ti60 鈦合金的顯微組織演變規(guī)律及其對力學性能的影響機制，為其實際應用提供了理論基礎和實踐依據(jù)。相關(guān)研究成果已發(fā)表在JMST期刊上。

這項研究通過調(diào)控工藝參數(shù)實現(xiàn)了具有近等軸β晶粒組織的Ti60鈦合金的激光增材制造。建立了考慮多組元影響的Ti60鈦合金的CET曲線，并結(jié)合熔池凝固過程溫度場的數(shù)值模擬，揭示了近等軸晶組織的形成機理。提出凝固溫度區(qū)間𝛥𝑇𝑓相比生長抑制因子𝑄能夠更好地預測不同種類鈦合金的等軸晶形成趨勢。激光增材制造近等軸晶Ti60合金的力學性能各向異性降低，沿沉積方向的α相尺寸變化是引起橫縱向試樣中室溫拉伸性能差異的主要原因。

論文亮點如下：
僅僅通過調(diào)控加工工藝參數(shù)便實現(xiàn)了激光增材制造Ti60鈦合金顯微組織近等軸β晶粒;
提出凝固溫度區(qū)間𝛥𝑇𝑓能更好預測不同鈦合金的顯微組織等軸趨勢;
顯著降低了Ti60鈦合金激光增材制造的室溫拉伸力學性能的各向異性

近等軸β晶粒及晶內(nèi)亞結(jié)構(gòu)
通過顯微組織觀察發(fā)現(xiàn)，激光增材制造Ti60鈦合金近等軸晶組織的主要特征是交替出現(xiàn)的短棒狀柱狀晶和細小等軸晶，柱狀晶的外延生長被限制在相鄰熔覆層之間，平均晶粒尺寸為80.3 μm。此外，激光增材制造成形過程中獨特的熱循環(huán)特性使得層帶結(jié)構(gòu)的形成，且層帶結(jié)構(gòu)包含有粗大的初始α板條和細小的二次α板條。

激光增材制造Ti60鈦合金的顯微組織

EBSD測試結(jié)果（a）及初始β晶粒的重構(gòu)（b）

室溫拉伸性能及斷裂機制
室溫拉伸試驗結(jié)果表明，激光增材制造成形的Ti60鈦合金橫向和縱向試樣的室溫拉伸性能均能達到鍛件標準，且前者的室溫拉伸性能更優(yōu)于后者。并且近等軸晶顯微組織顯著降低了成形件的室溫拉伸強度的各向異性，但是成形件的塑性仍有較為明顯的差異。力學性能這種差異的主要原因是縱向試樣具有沿沉積方向的不均勻顯微組織（主要體現(xiàn)在α相尺寸），而橫向試樣的顯微組織相對較為均勻。關(guān)注公眾號: 增材制造碩博聯(lián)盟，免費獲取海量增材資料，聚焦增材制造研究與工程應用！

激光增材制造Ti60鈦合金的室溫拉伸性能

激光增材制造Ti60鈦合金沉積態(tài)試樣不同高度處α板條形貌：(a)底部；(b)中部；(c)頂部；(d)α板條寬度和維氏硬度之間的關(guān)系。

等軸β晶粒組織的形成機理
結(jié)合數(shù)值模擬研究，熔池熔化凝固過程中，晶粒從底部的柱狀形態(tài)逐漸變?yōu)轫敳康牡容S狀形態(tài)。本項研究中所選擇的激光加工工藝參數(shù)可很好地保留每層沉積層頂部形成的等軸晶組織，從而能有效阻礙柱狀晶組織的連續(xù)外延生長，獲得較理想的近等軸晶顯微組織。

（a）凝固過程中熔池不同位置的溫度場模擬情況；（b）溫度梯度𝐺和凝固速率𝑉隨熔池局部深度𝑧(𝑧 = 0對應于表面)的變化規(guī)律；（c）激光增材制造Ti60鈦合金近等軸晶粒組織形成示意圖。

Ti60鈦合金的CET曲線與熔池凝固不同時刻對應的凝固條件。

不同類型鈦合金的凝固溫度區(qū)間和生長抑制因子及其對應的晶粒特征。

總結(jié)與展望
這項研究基于激光增材制造LAM技術(shù)制備了具有近等軸晶粒組織的Ti60 (Ti-5.7Al-4.0Sn-3.5Zr-0.4Mo-0.4Si-0.4Nb-1.0Ta-0.05C) 鈦合金，揭示了激光增材制造過程等軸晶的形成機理，并通過分析成分過冷區(qū)的特征參量高度𝛥𝑇𝐻和寬度𝛥𝑍，提出基于凝固溫度區(qū)間來預測鈦合金等軸晶形成趨勢，發(fā)展了激光增材制造鈦合金等軸β晶粒的調(diào)控方法，即通過實時改變增材制造過程中的激光加工工藝參數(shù)（例如激光功率、掃描速率等），控制熔覆層頂部形成的等軸晶組織以阻礙柱狀晶的外延連續(xù)生長，進而獲得近等軸晶顯微組織。

論文DOI: 10.1016/j.jmst.2021.03.012