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大連理工大學(xué)MC : 激光增材制造Ti6Al4V-Inconel 718梯度材料的界面金屬間相變機制

3D打印動態(tài)
2024
07/30
16:51
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來源:先進焊接技術(shù)

大連理工大學(xué)高性能精密制造國家重點實驗室在《Materials Characterization》期刊發(fā)表了一篇名為“Intermetallic phases transition mechanism of the interface of Ti6Al4V-Inconel718 graded material by laser additive manufacturing-激光增材制造Ti6Al4V-Inconel 718梯度材料的界面金屬間相變機制”的論文。本研究采用激光增材制造技術(shù)制備Ti6Al4V-Inconel 718梯度材料,根據(jù)金屬間化合物相的類型對兩種材料梯度界面進行劃分,分析界面處不同區(qū)域金屬間化合物相的分布,揭示了合金中主要元素的轉(zhuǎn)變和各金屬間化合物相的形成路徑、分布和形貌,為調(diào)控梯度材料組織結(jié)構(gòu)和中間合金相提供理論指導(dǎo)。研究得到了中央大學(xué)基本科研業(yè)務(wù)費專項資金和國家自然科學(xué)基金的支持。

功能梯度材料是將不同材料的特性組合到同一個組件中,使組件在不同位置具有不同的特性或功能。例如,高超聲速飛行器的姿態(tài)控制柵格翼,要求前段迎風(fēng)面耐高溫,中、后段比強度高、重量輕。均質(zhì)材料難以達到強度高、質(zhì)量輕等復(fù)雜使用要求。激光增材制造技術(shù)具有較高的制造柔性,在部件可以制備過程中任意改變材料的種類和比例,從而方便地實現(xiàn)梯度材料的制備。同時,由于激光增材制造在部件制造方面提供了高度的靈活性,因此可以實現(xiàn)復(fù)雜部件的集成制造。該技術(shù)完全可以滿足功能梯度復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造需求。鈦合金-高溫合金梯度材料結(jié)合了鈦合金的高比強度和高溫合金的耐高溫性能,完全可以滿足姿態(tài)控制柵格翼等關(guān)鍵部件的復(fù)雜服役要求。

由于Ti6Al4V-Inconel 718梯度材料在連接時產(chǎn)生的Ti2Ni和TiNi等脆性金屬間化合物,會導(dǎo)致界面顯微硬度提高,界面處發(fā)生開裂,限制了其應(yīng)用。針對這一問題,學(xué)者們通過添加過渡層、優(yōu)化添加劑工藝參數(shù)、熱處理等方式減少脆性相的產(chǎn)生,抑制裂紋的產(chǎn)生。目前,對Ti6Al4V-Inconel 718梯度界面金屬間化合物相的類型、形成及轉(zhuǎn)變機制的研究還不夠深入。兩種材料界面處金屬間相的轉(zhuǎn)變和分布不清楚。因此,本文采用激光增材制造技術(shù)制備了Ti6Al4V-Inconel 718梯度材料,通過熱力學(xué)計算預(yù)測了界面各區(qū)域金屬間相的種類和含量的變化規(guī)律,分析了Ti6Al4V-Inconel 718梯度界面不同區(qū)域金屬間化合物相的分布,揭示了合金中主要元素Ti、Ni的轉(zhuǎn)變及金屬間化合物相的形成路徑,對梯度材料中金屬間相的調(diào)控提供理論依據(jù)。

主要試驗數(shù)據(jù)如下:

圖 1試樣顯微組織 (a)試樣橫截面;(b)Ti6Al4V區(qū)的顯微組織;(c)Inconel 718的顯微組織;(d)-(e)試樣過渡區(qū)Ⅰ區(qū)的顯微組織;(f)-(g)試樣過渡區(qū)Ⅱ區(qū)顯微組織;
(h)-(i)樣品過渡區(qū)Ⅲ區(qū)顯微組織

圖 2 試樣界面相XRD分析結(jié)果

圖 3 過渡界面II區(qū)的TEM分析結(jié)果 (a)II區(qū)的微觀結(jié)構(gòu);(b-c)相應(yīng)位置的選區(qū)電子衍射;(d-f)微觀結(jié)構(gòu)中紫框區(qū)的元素分布

圖 4試樣Ⅲ區(qū)元素分布結(jié)果

圖 5過渡界面Ⅲ區(qū)的TEM分析結(jié)果 (a-b)Ⅲ區(qū)不同位置的顯微組織和元素分析結(jié)果;(c-f)相應(yīng)位置的選區(qū)電子衍射

圖 6試樣過渡界面相分布示意圖

圖 7 不同元素含量的Ti6Al4V/Inconel 718復(fù)合材料相含量計算結(jié)果
圖 8 Ti6Al4V和試樣I區(qū)的顯微組織分析 (a)相分布圖;(b)取向圖;(c)反極圖;(d)KAM圖

主要結(jié)論:
在Marangoni效應(yīng)和材料密度差的作用下,Inconel 718和Ti6Al4V在界面處相互交錯,梯度界面不均勻。Ti6Al4V中含有α-Ti和β-Ti相,在梯度界面附近呈細(xì)片狀,并從Ti6Al4V向過渡界面延伸。Inconel 718含有γ和Laves相。Laves相的分布取決于基體γ的枝晶形態(tài)。Inconel 718合金的相變順序一般為L → L + γ → L + Laves + γ。首先,形成γ相。隨著γ枝晶的增多,液相中Mo、Nb、Ti元素的濃度逐漸增大。當(dāng)達到一定濃度時,發(fā)生L → Laves + γ反應(yīng)。

根據(jù)金屬間化合物相類型的不同,將梯度界面劃分為三個區(qū)域。隨著Ti元素的減少和Ni元素的增加,Ti2Ni、TiNi和Ni3Ti依次形成。Ⅰ區(qū)的主要相為片狀Ti2Ni,含有少量β-Ti和α-Ti。主相由液相直接形成或由L → β-Ti + Ti2Ni共晶反應(yīng)形成。與Ti6Al4V相比,區(qū)域I的織構(gòu)強度明顯減弱,晶粒各向異性增強。同時,由于不同相之間的韌性差異和熱應(yīng)力的存在,導(dǎo)致了形變失配,使得Ti6Al4V區(qū)與Ⅰ區(qū)的界面處以及部分Ti2Ni相中的KAM值較高。

Ⅱ區(qū)相主要由TiNi、AlNi和少量Ti2Ni組成。TiNi和AlNi是由液相直接生成的,而Ti2Ni主要是通過L + TiNi → Ti2Ni的包晶反應(yīng)生成。Ⅲ區(qū)主要由Ni3Ti、Fe2Ti相和少量FeTi、γ、FeCr相所組成。首先在液相中形成Ni3Ti和Fe2Ti,然后通過包晶反應(yīng)L + Fe2Ti → FeTi和共晶反應(yīng)L → Ni3Ti + γ形成少量FeTi和γ相。此外,Cr元素在局部區(qū)域聚集,形成少量的FeCr相。

原文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.matchar.2024.114183



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