西工大黃衛(wèi)東團(tuán)隊(duì)頂刊丨激光增材制造鈦合金中β晶粒的粗化

來源： 增材制造碩博聯(lián)盟

增材制造（AM）鈦合金中的β-晶粒的熱影響粗化，對于獲得類似鍛件的細(xì)β-晶粒非常重要，但是在以往的研究中卻被完全忽視了。

由西北工業(yè)大學(xué)黃衛(wèi)東、林鑫教授團(tuán)隊(duì)在《Scripta Materialia》期刊上發(fā)表的 “Heat-affected coarsening of β grain in titanium alloy during laser directed energy deposition” 一文，報道了激光定向能量沉積期間的瞬間高溫（高于β-相變點(diǎn)Tβ）的熱循環(huán)可以使Ti6Al4V的等軸β-晶粒發(fā)生顯著的粗化。在初始β-晶粒較小、激光能量密度較大和預(yù)熱溫度較高的情況下，晶粒粗化更加嚴(yán)重。同時，提出了一個用于預(yù)測增材制造（AM）鈦合金粗化的β-晶粒大小的修正模型。

這些研究結(jié)果不僅提供了對增材制造鈦合金的β-晶粒的更全面的認(rèn)識，而且對具有細(xì)小等軸β-晶粒的AM鈦合金的成分設(shè)計(jì)有重要指導(dǎo)意義。

增材制造（AM）技術(shù)已被用于制造具有復(fù)雜幾何形狀的近乎全致密的鈦合金零件，這些零件具有與鍛件相當(dāng)?shù)撵o載性能。然而，在AM鈦合金中沿沉積方向外延生長的粗大的柱狀初生β晶粒會導(dǎo)致顯著的機(jī)械性能各向異性和較差的動載性能，如低周疲勞性能。這些缺點(diǎn)顯著地限制了AM鈦合金的廣泛應(yīng)用。因此，在AM鈦合金中非�？释�獲得幾十微米的類似鍛件的細(xì)等軸β晶粒。

考慮到熱處理在細(xì)化/改變初生β晶粒方面的局限性，關(guān)于實(shí)現(xiàn)細(xì)等軸β晶粒的研究主要集中在沉積態(tài)的AM鈦合金上。一般來講，沉積態(tài)的AM鈦合金的最終β晶粒組織取決于熔池凝固期間中的晶粒生長和反復(fù)熱循環(huán)導(dǎo)致的熱影響區(qū)（HAZ）中的晶粒粗化。一方面，到目前為止，研究者已經(jīng)在通過控制凝固過程來改變β晶粒方面做出了許多努力。詳細(xì)的方法包括：(i) 通過添加具有較大生長限制因子的合金元素來增加成分過冷度，(ii) 增加形核位點(diǎn)，如采用較大的送粉量或強(qiáng)烈的高強(qiáng)度超聲波，以及(iii) 通過改變工藝參數(shù)來改善熔池的特性。另一方面，以前所有關(guān)于AM鈦合金HAZ的研究主要集中在α相的粗化（層帶：粗大的魏氏α集束）和隨工藝參數(shù)變化的HAZ，然而，在動力學(xué)上與α相的粗化完全不同的AM鈦合金HAZ中的β晶粒的粗化被完全忽視了。

實(shí)際上，眾所周知，在傳統(tǒng)工藝（鑄造、焊接和鍛造）中，在Tβ以上，鈦合金中的β-晶粒會發(fā)生明顯的粗化。然而，與傳統(tǒng)工藝相比，AM期間的多個Tβ以上的瞬時高溫?zé)嵫�環(huán)的時間非常短，例如，在激光定向能量沉積（DED）過程中，每個熱循環(huán)的時間＜ 1s。因此，在AM鈦合金中是否會發(fā)生β-晶粒的熱影響粗化仍然是未知的。

在這項(xiàng)工作中，西工大黃衛(wèi)東、林鑫教授團(tuán)隊(duì)特意設(shè)計(jì)了初始等軸β-晶粒尺寸（D0）約為80μm的Ti6Al4V基材。在25℃和預(yù)熱800℃的情況下，研究了作為DED期間能量密度（El）的函數(shù)的Ti6Al4V粗化的β-晶粒尺寸（D）、晶粒粗化程度（m=D/D0）和晶粒粗化厚度（h）。此外，根據(jù)有限元（FE）模擬的溫度數(shù)據(jù)，采用了一個修正模型來預(yù)測β-晶粒的粗化。

圖1顯示了El為217J/mm的25℃和800℃基體的DED試樣的顯微組織。該組織由四個區(qū)域組成：原始基材、微-HAZ（以粗化的α相為特征）、β-HAZ（以明顯粗化的β晶粒為特征）和沉積層。基材呈現(xiàn)等軸的β晶粒（彩色）和均勻分布的少量殘留初生α相（白色）。25℃和800℃基材的平均D0分別為70μm和56μm，相應(yīng)地，β-HAZ中的平均D分別為211μm和289μm；代表粗化的β晶粒厚度的β-HAZ高度h分別為597μm和1942μm。

圖1. 基材經(jīng)過El=217J/mm的DED之后的OM和重構(gòu)的EBSD圖：(a)25℃基材；(b)預(yù)熱的800℃基材。

基于實(shí)驗(yàn)測量，圖2給出了不同工藝條件下的D0、D、m和h。所有基材的D0均為56~91微米。800℃基材的D、m和h的值均比25℃基材的大，并且在相同的基材溫度下，D、m和h的值都隨著El的增加而增加。具體來說，當(dāng)El等于425J/mm時，在25℃和800℃基材的兩種情況下，D分別達(dá)到374μm和546μm，約為D0的4倍和9倍，相應(yīng)的h也分別達(dá)到1160μm和4162μm。

圖2 在25℃和預(yù)熱的800℃基材的情況下，不同El的β晶粒的粗化。(a)通過實(shí)驗(yàn)和模擬得到的D0和D，(b)晶粒粗化程度m和晶粒粗化厚度h。

根據(jù)以前的研究，在DED鈦合金中，沉積層厚度（相鄰兩條熔合線之間的距離）約為單層高度的40%。在本研究中，對于25℃和800℃基材，單層高度分別約為637~1640μm和787~2738μm。因此，相應(yīng)的理論層厚分別為255~656 μm和315~1095 μm。顯然，h（25℃：344~1160μm和800℃：646~4162μm）要比層厚大很多。因此，在DED的多層沉積期間，β-晶粒的大小可能會受到后續(xù)幾個沉積層的影響，因此，從這個單層沉積實(shí)驗(yàn)中得到的m被低估了。此外，基材中殘留的初生α相的存在可能會延緩β-HAZ中β-晶粒的粗化。

圖3. 在不同工藝條件下，某一點(diǎn)（熔合線中間正下方150微米）高于Tβ的溫度，相應(yīng)的加熱和冷卻速率。(a) 25℃基材；(b)預(yù)熱的800℃基材；(c)溫度高于Tβ時的峰值溫度Tp和時間Δt。

圖4. 在不同的El和D0條件下，F(xiàn)E模擬得到β-HAZ中的m（彩色）和β-晶粒尺寸D（深灰色線）的等值線圖：（a）25℃基材；（b）預(yù)熱的800℃基材。

總之，激光定向能量沉積期間的瞬間高溫（高于Tβ）可以使Ti6Al4V的等軸β-晶粒發(fā)生顯著的粗化。值得注意的是，在初始β-晶粒較小、激光能量密度較大和預(yù)熱溫度較高的情況下，晶粒粗化更加嚴(yán)重。因此，為了在AM鈦合金中獲得細(xì)小的等軸β晶粒，必須充分注意避免β晶粒的熱影響粗化，特別是對于包含大量熱量累積的大型零件的高效率沉積。

盡管可以通過降低El和基材溫度來抑制晶粒粗化，但值得注意的是，對優(yōu)化參數(shù)的任何改變都可能導(dǎo)致缺陷（如孔隙率或熔合不良），并將犧牲沉積效率。此外，當(dāng)熱處理期間的溫度高于Tβ時也可能發(fā)生晶粒粗化。然而，從AM鈦合金成分設(shè)計(jì)的角度來看，可以通過增加微量硼來提高晶粒生長激活能Q，以及通過引入RE2O3等穩(wěn)定的細(xì)顆粒來阻礙晶界遷移，從而減小晶粒粗化。這些研究結(jié)果不僅提供了對AM鈦合金的β-晶粒的更全面的認(rèn)識，而且對具有細(xì)小等軸β-晶粒的AM鈦合金的成分設(shè)計(jì)有重要指導(dǎo)意義。

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https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114180