北航邱春雷教授團(tuán)隊(duì)《AM》：1.2Gpa超高屈服強(qiáng)度新型增材制造鈦合金Ti-Fe-Co-Mo

2024年7月31日，南極熊獲悉，近日北航邱春雷教授團(tuán)隊(duì)在增材制造領(lǐng)域頂刊《Additive Manufacturing》 (Impact Factor: 11) 發(fā)表題為《Development of an additively manufactured metastable beta titanium alloy with a fully equiaxed grain structure and ultrahigh yield strength》的論文，論文第一作者為碩士生劉彥君，通訊作者為邱春雷教授。

導(dǎo)讀

現(xiàn)有的鈦合金通常以具有低晶粒生長限制因子的元素如Al、V、Sn、Nb、Zr、Mo等作為主要溶質(zhì)元素。這導(dǎo)致這些合金（如TC4、TC11、TA15、Ti1023等）在增材制造凝固過程固液前沿的成分過冷度極小，易形成粗大的柱狀晶組織，導(dǎo)致力學(xué)性能各向異性的形成，降低力學(xué)性能的穩(wěn)定性和可靠性，限制了增材制造鈦合金在具有高性能要求的服役環(huán)境中的應(yīng)用。

為解決該問題，北航邱春雷教授團(tuán)隊(duì)選擇了具有高晶粒生長限制因子的元素如Fe、Co作為Ti的主要溶質(zhì)元素進(jìn)行成分設(shè)計(jì)，以促進(jìn)鈦合金在增材制造過程實(shí)現(xiàn)從柱狀晶向等軸晶的轉(zhuǎn)變。該團(tuán)隊(duì)還以d電子理論為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，選取高β穩(wěn)定性元素如Mo、Fe、Co作為主要溶質(zhì)元素，利用Bo-Md圖設(shè)計(jì)出了以位錯(cuò)滑移為主要變形機(jī)制的新型增材制造鈦合金Ti-xFe-xCo-1Mo (1< x <4 at%)，以保證合金具有優(yōu)異的力學(xué)性能。研究表明該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的Ti-Fe-Co-Mo合金在所有采用的工藝條件下都展現(xiàn)出明顯的柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變傾向，在一些優(yōu)化的工藝條件下實(shí)現(xiàn)了完全等軸晶化，合金經(jīng)固溶處理后展現(xiàn)出力學(xué)性能各向同性且具有超高的屈服強(qiáng)度(～1.2 GPa)和良好的塑性(延伸率達(dá)10~12%)，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的強(qiáng)度-塑性結(jié)合。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)該合金以位錯(cuò)滑移變形為主，其優(yōu)異性能可能源于基體中存在的大量納米級(jí)無熱ω顆粒及溶質(zhì)原子團(tuán)簇。

研究人員發(fā)現(xiàn)新開發(fā)的Ti-Fe-Co-Mo合金在寬的工藝條件下都展現(xiàn)出極低的孔隙率，大多數(shù)樣品的孔隙率低于0.4%（圖1），顯示該合金具有優(yōu)異的增材制造成形性和寬廣的工藝加工窗口。另外，還發(fā)現(xiàn)低的激光曝光時(shí)間會(huì)形成較淺的熔池，易形成柱狀晶和等軸晶混雜的組織（圖1a,c,e-f）；而高的激光曝光時(shí)間則容易形成較深的熔池，促進(jìn)晶粒的等軸晶化，見圖1b,d,g-h。定量化分析顯示該合金熔池的深度基本隨激光功率和曝光時(shí)間的增加而增加，而晶粒的長徑比隨激光能量密度的增加而減小，如圖3。值得一提的是，該合金在一些條件下形成的柱狀晶長徑比（2～3）也比現(xiàn)有鈦合金增材制造后形成的柱狀晶長徑比（通常12）要小很多，意味著Fe、Co的添加極大促進(jìn)了該合金從柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變的進(jìn)程。在400 W-110" μs" 條件下，該合金更是形成了完全的等軸晶組織。EBSD分析進(jìn)一步顯示該合金在較低曝光時(shí)間和能量密度條件下形成有等軸晶和較短柱狀晶混合的組織，展現(xiàn)出一定的織構(gòu)，見圖4a。增加曝光時(shí)間和能量密度使合金形成了完全等軸晶組織，基本不存在織構(gòu)，如圖4b。

圖1 不同工藝條件制備的Ti-Fe-Co-Mo合金孔洞分布情況,(a) 250 W-50 μs, Af = 0.63%, (b) 250 W-80 μs, Af = 0.49%, (c) 250 W-110 μs, Af = 0.41%, (d) 325 W-50 μs, Af = 0.44%, (e) 325 W-80 μs, Af = 0.37%, (f) 325 W-110 μs, Af =0.27%, (g) 400 W-50 μs, Af = 0.33%, (h) 400 W-80 μs, Af = 0.2%, (i) 400 W-110 μs, Af = 0.13%.

圖2 不同工藝條件制備的Ti-Fe-Co-Mo合金晶粒組織圖,(a) 250 W-50 μs; (b) 250 W-110 μs; (c) 325 W-50 μs; (d) 325 W-110 μs; (e-f) 400 W-50 μs; (g-h) 400 W-110" μs" . CG代表柱狀晶， EG代表等軸晶

圖3 (a)熔池深度隨激光功率、曝光時(shí)間的變化趨勢; (b)  β晶粒長徑比隨激光能量密度的變化規(guī)律.  

圖4 不同工藝條件制備的鈦合金樣品電子背散射衍射（EBSD）反極化圖與極化圖, (a,c) 400 W-50 μs, (b,d) 400 W-110 μs.

研究還發(fā)現(xiàn)打印態(tài)的Ti-Fe-Co-Mo合金含有少量未熔Mo顆粒(圖5a-b)，大量的α相和等溫ω沉淀相(圖5c-e)，晶界上則存在少量Ti2Co沉淀相(圖5f)。另外樣品基體中還含有大量的Co/Fe/Mo原子團(tuán)簇(圖5g)。由于存在等溫ω相，打印態(tài)的合金脆性較大。經(jīng)固溶處理后，合金的晶粒發(fā)生顯著粗化(圖6)，但α相和等溫ω相均消失，取而代之的是基體上彌散分布的納米尺度無熱相和溶質(zhì)原子團(tuán)簇(圖7)。

圖5 打印態(tài)的鈦合金樣品微觀組織及成分分布圖

圖6 不同工藝制備的鈦合金樣品經(jīng)固溶處理后的晶粒組織圖, (a) 400 W-50 μs及(b) 400 W-110 μs.

圖7 固溶態(tài)的鈦合金樣品微觀組織透射電鏡圖及成分分布圖

拉伸測試表明增材制造與固溶處理的Ti-Fe-Co-Mo合金展現(xiàn)出超高的屈服強(qiáng)度(>1.2GPa，圖8a)), 較高的延伸率（有的工藝條件達(dá)到10%以上）。合金的屈服強(qiáng)度甚至比很多現(xiàn)有的α+β鈦合金的都要高(圖8b)。合金的斷口呈現(xiàn)出密集細(xì)小的韌窩，意味著合金是塑性斷裂為主。對(duì)變形亞結(jié)構(gòu)的研究表明，合金存在大量的滑移帶和位錯(cuò)，意味著其是以位錯(cuò)滑移為主要變形機(jī)理。合金中為觀察到馬氏體或?qū)\晶，意味著馬氏體相變和孿生機(jī)理被有效地抑制。合金高的屈服強(qiáng)度主要源于細(xì)小的無熱ω顆粒與大量原子團(tuán)簇的存在。   

本文的研究表明，通過選擇具有高晶粒生長限制因子及高β相穩(wěn)定性的元素作為鈦的主要溶質(zhì)元素，我們可以設(shè)計(jì)出具有完全等軸晶組織和超高屈服強(qiáng)度的新型增材制造鈦合金，為增材制造鈦合金在航空航天的廣泛應(yīng)用鋪平了道路。

圖8 (a) 增材制造及固溶處理的鈦合金樣品拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線(b)及其性能與其他鈦合金的比較；(c-e) 樣品斷口掃描圖

圖9 增材制造及固溶處理的鈦合金樣品的變形亞結(jié)構(gòu)圖

論文引用格式：Yanjun Liu , Longbin Xu , Chunlei Qiu, Development of an additively manufactured metastable beta titanium alloy with a fully equiaxed grain structure and ultrahigh yield strength. Additive Manufacturing 60 (2022) 103208.  

原文下載鏈接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.103208.