研究人員開發(fā)專用于DED的貝氏體鈦合金，通過多種強化機制實現(xiàn)高強度性能

導讀：如今，增材制造領域應用最廣泛的鈦合金材料是 Ti-6Al-4V，這種合金最初是為鍛造制造而開發(fā)的。雖然這種材料已成功用于增材制造工藝，但在機械性能方面仍有改進空間。具體來說，3D 打印的 Ti-6Al-4V 已被證明具有柱狀前β晶粒，這可能導致各向異性。

2024年8月17日，南極熊獲悉，為了解決這一現(xiàn)象，來自澳大利亞皇家墨爾本理工大學、北德克薩斯大學和捷克 Tescan 集團的研究人員開發(fā)了用于增材制造的新型貝氏體三元合金，由鈦、銅和鐵 (Ti-Cu-Fe) 組成。這項工作展示了一種使用低成本元素粉末通過增材制造生產具有獨特和優(yōu)異性能的結構部件的可行方法。

相關研究以題為“Novel bainitic Ti alloys designedfor additive manufacturing”論文發(fā)表于《材料與設計》期刊上。

相關論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matdes.2024.113176

圖 1.a ) ti-xcu-4fe 共析溫度附近的等值線，x 從 0到 8 wt%。b) 合金設計策略圖，顯示了共析成分和 Cu 和 Fe 成分從 0 → 8 %的 Q 值。

表 1.標稱Ti-Cu-Fe 合金的 ICP-MS 分析和針對每種考慮成分計算出的 Q 值。

圖 2.Ti -2Cu-2Fe、Ti-2Cu-4Fe、Ti-4Cu-4Fe和 Ti-4Cu-6Fe 進行母體晶粒分析后的 EBSD 圖。IPF 著色與 Z0 方向平行（頁面外）。

圖 3.a ) 和 b) Ti-2Cu-4Fe，紅色箭頭表示 Ti2Cu顆粒，c) 和 d) Ti-4Cu-4Fe，e) 和 f) Ti-6Cu-4Fe，g)和 h) Ti-4Cu-6Fe。紅色框表示相鄰圖像中放大的區(qū)域。最暗的顆粒/板條為 α 相，灰色基質為 β 相，最亮的顆粒為 Ti2Cu 金屬間化合物。（有關此圖例中顏色引用的解釋，讀者請參閱本文的網絡版本。）

圖 4.從Pandat（PanTi v2022）獲得的室溫下不包括 TiFe 的平衡相分數，并通過 SEM 成像計算出四種顯示等軸微觀結構的成分：Ti-4Cu-4Fe、Ti-6Cu-4Fe、Ti-4Cu-6Fe 和 Ti-6Cu-6Fe。

圖 5.TEM圖像和高分辨率 EDS 通過 TEM 顯示了 α 相和殘留 β 相交叉區(qū)域內不同相的元素濃度以及相間形成的金屬間化合物。區(qū)域 i.、ii. 和 iii. 表示在樣品內采集光譜的區(qū)域，并以

表2.顯示不同相的元素組成（±σ）的光譜分析。

圖 6.a ) Ti-4Cu-4Fe 的明場圖像，紅色箭頭表示 b 中分析的 Ti 2 Cu 粒子，該粒子形成于 α 板條和殘留 β 相的交匯處。b) 從 a 中的粒子收集的 SAED 衍射圖案，確認 Ti 2 Cu 沿 0 0 1 區(qū)域軸取向。（有關此圖例中顏色引用的解釋，請讀者參閱本文的網絡版。）

圖 7。a ) Ti4Cu4Fe 的明場莖圖像。b) 相位識別疊加在相位可靠性圖上 c) α 相晶體取向圖。d) β 相晶體取向圖。e) Ti 2 Cu 晶體取向圖（IPF 著色平行于頁面外的 Z 方向）。f) 和 g) 極圖、平面和方向，平行平面和方向對分別用紅色圓圈表示。（有關此圖例中顏色引用的解釋，讀者請參閱本文的網絡版本。）

圖 8.Ti -4Cu-4Fe、Ti-4Cu-6Fe、Ti-6Cu-4Fe和 Ti6Cu-6Fe 成分的代表性拉伸曲線。平均拉伸應力和斷裂伸長率以點表示，誤差線表示標準誤差。

圖 9.斷口的二次電子圖像。a) Ti-4Cu-4Fe，b)Ti-4Cu-6Fe，c) Ti-6Cu-4Fe 和 d)Ti6-Cu-6Fe。

圖 10.晶粒尺寸和面積加權長寬比倒數與 Q 值倒數的關系。Q 值增加會導致等軸微觀結構。等軸晶粒具有平均長寬比倒數0.5。虛線表示 Ti-4Cu-4Fe 成分，其中形成等軸微結構。Ti-2Cu-2Fe 晶粒尺寸通過面積加權晶粒尺寸估算，因為這更能說明大柱狀晶粒。誤差線表示標準誤差。

表 3.Pandat CALPHAD 軟件預測的凝固范圍。

圖 11. Ti -4Cu-4Fe、Ti-6Cu-4Fe 和 Ti-4Cu-6Fe 與制造的 DED 樣品相比，機械性能有所提高。H 和 V 項標明水平和垂直平面上的拉力筋制造方向，以及顯示了 Ti-6Al-4V 所制造的固有各向異性。虛線連接 Ti-6.5Cu 和 Ti-8.5Cu 二元合金。

圖12.各種模型化強化機制的貢獻與實驗屈服強度的比較：強化機制包括：純鈦的滑移激活應力、固溶強化、與α相的Hall-Petch關系、析出強化和森林位錯強化。

貝氏體合金在鋼中最為常見，其特點是具有兩相微觀結構。研究團隊希望通過改變合金化學成分來解決鈦的原位β晶粒問題，因為這種改變可以顯著影響凝固過程中的“組織過冷”。該團隊在增材制造 Ti-Cu 合金成功的基礎上，探索了為增材制造而開發(fā)的 Ti-Cu-Fe 合金的微觀結構控制。之所以選擇鐵，是因為它能夠（類似于銅）細化原βTi晶粒。

在這項研究中，研究人員利用激光定向能量沉積（DED）成功 3D 打印了鈦合金。正如他們在研究中所描述的那樣，他們將三種 Ti-Cu-Fe 合金（Ti-4Cu-4Fe、Ti-4Cu-6Fe 和 Ti-6Cu-4Fe）的機械性能與二元 Ti-Cu 合金和 Ti-6Al-4V 進行了比較，發(fā)現(xiàn)三元合金的微觀結構有顯著改善。最終，該研究項目展示了使用低成本元素粉末和DED 3D 打印堅固鈦合金結構的可能性。

這項研究總結道：“這項研究證明了貝氏體鈦合金通過其獨特的微觀結構具有增強機械性能的潛力。通過晶界工程和通過引入更多成核點來細化晶粒，這種合金系統(tǒng)具有更大的潛力來進一步改善機械性能�！�