吉林大學(xué)徐曉峰教授：實(shí)現(xiàn)增材制造Ti-6Al-4V合金強(qiáng)度和耐腐蝕性能的同時(shí)提升

來源： 材料科學(xué)和技術(shù)
第一作者：大連理工大學(xué)  嚴(yán)旭東助理研究員
通訊作者：吉林大學(xué)  徐曉峰教授
通訊單位：吉林大學(xué)
DOI: 10.1016/j.jmst.2023.12.060

常規(guī)熱處理作為后處理通常會(huì)導(dǎo)致選區(qū)激光熔化（SLM）制備的Ti-6Al-4V合金的屈服強(qiáng)度和耐蝕性下降，主要原因是α板條的粗化和合金元素的配分（AEP）。本研究發(fā)現(xiàn)，電脈沖可以抑制初生α的生長(zhǎng)和AEP的進(jìn)行，它還能在β轉(zhuǎn)變區(qū)引入了更細(xì)的α′板條，產(chǎn)生一種初生α與β轉(zhuǎn)變區(qū)元素濃度差異很小的新型雙板條微觀組織結(jié)構(gòu)。性能測(cè)試結(jié)果表明，β轉(zhuǎn)變區(qū)較高的Al元素含量和更細(xì)的α′板條使得電脈沖處理試樣的屈服強(qiáng)度（952 MPa）顯著高于熱處理的試樣（855 MPa）；電脈沖誘導(dǎo)的新型雙板條微觀組織結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出高的極化電阻，更厚并且更穩(wěn)定的鈍化膜，進(jìn)而提高了SLM Ti-6Al-4V合金的耐腐蝕性能。

由于極快的冷卻速率（約103 – 108 K/s）和復(fù)雜的熱循環(huán)，選區(qū)激光熔化（SLM）Ti-6Al-4V合金的微觀結(jié)構(gòu)通常含有高密度的晶體缺陷。因此，往往需要進(jìn)行后處理來優(yōu)化微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高機(jī)械和耐腐蝕性能。 SLM Ti-6Al-4V 最常用的后熱處理是兩相區(qū)溫度下的固溶和退火處理。然而，由于α板條的粗化和合金元素配分（AEP）導(dǎo)致的元素偏聚，這些傳統(tǒng)的熱處理方法會(huì)導(dǎo)致合金的耐腐蝕性能惡化。相比之下，我們之前的研究（Journal of Alloys and Compounds 899 (2022) 163303）發(fā)現(xiàn)，結(jié)合熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)的電脈沖處理可以有效抑制合金元素的擴(kuò)散和晶粒粗化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了Ti-6Al-4V合金力學(xué)性能的顯著提升�；�于這一觀察，我們假設(shè)通過對(duì) SLM Ti-6Al-4V 進(jìn)行電脈沖處理（將其加熱至兩相區(qū)溫度，然后進(jìn)行水冷固溶處理），從而抑制初生α相的粗化和由AEP導(dǎo)致的元素偏聚，這可能會(huì)促使強(qiáng)度和耐腐蝕性能的協(xié)同改善。

研究?jī)?nèi)容
1.利用電脈沖在SLM Ti-6Al-4V合金中構(gòu)建了一種新型雙板條微觀組織結(jié)構(gòu)。

2.電脈沖的快速加熱致使β轉(zhuǎn)變區(qū)的Al含量顯著高于普通的熱處理組織，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更高的強(qiáng)度。

3.電脈沖產(chǎn)生的新型雙板條微觀組織結(jié)構(gòu)具有更低的元素偏聚程度和更小的板條寬度，因而表現(xiàn)出更優(yōu)異的耐腐蝕性能。

本研究采用的原材料是選區(qū)激光熔化（SLM）制備并去應(yīng)力退火（650 ℃保溫4 h）的Ti-6Al-4V合金，在如圖1所示的自制電脈沖設(shè)備上對(duì)其進(jìn)行電脈沖處理，處理時(shí)間為340 ms，到達(dá)最高溫度后馬上進(jìn)行冷水降溫，紅外測(cè)溫檢測(cè)到的最高溫度為900 ℃左右，同時(shí)進(jìn)行了一組900 ℃保溫1 h的常規(guī)熱處理實(shí)驗(yàn)作為對(duì)照組。

圖1 電脈沖處理過程和樣品尺寸的示意圖。

原始 (AR)、熱處理 (HT) 和電脈沖處理 (EPT)樣本的 TEM 明場(chǎng)照片如圖2所示。AR樣品的微觀組織結(jié)構(gòu)由板條狀α相和細(xì)小顆粒狀β相組成（如圖2（a）中的紅色圓圈所示，并由圖2（b）中的選區(qū)電子衍射（SAED）圖案證實(shí)）。HT樣品呈現(xiàn)出典型的雙板條微觀組織結(jié)構(gòu)，由粗大的初生α板條（αp）和β轉(zhuǎn)變區(qū)（βt）中細(xì)小的α′板條構(gòu)成，如圖2（c，d）所示。由αp僅經(jīng)歷生長(zhǎng)而沒有任何相變，因此與AR中的α相比，其寬度更寬。與HT樣品相比，EPT樣品表現(xiàn)出不同的微觀組織結(jié)構(gòu)，具有更小的片層寬度的αp和βt區(qū)域（約500 nm，如圖2(e)所示），此外βt區(qū)域中的α′也明顯更細(xì)。

圖2 不同狀態(tài)SLM Ti-6Al-4V合金的TEM明場(chǎng)照片：(a) 制造去應(yīng)力退火態(tài)（AR），(b) 紅色圓圈所示區(qū)域的SAED圖案，(c) 熱處理態(tài)（HT），(d) HT微觀組織的部分放大圖，(e) 電脈沖處理態(tài)（EPT）和(f) EPT微觀組織的部分放大圖。

使用EBSD、TKD和EDS對(duì)樣品的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了進(jìn)一步表征，結(jié)果如圖3所示。熱處理導(dǎo)致α板條明顯粗化，平均寬度從2.4 μm增加到3.4 μm，增加了約42%。此外，α的面積分?jǐn)?shù)從96%左右下降到68%。相反，電脈沖處理并沒有顯著影響α寬度，僅略微增加約17%至2.8 μm。α的面積分?jǐn)?shù)下降至大約70%。此外，三個(gè)樣品之間的元素分布也存在顯著差異。AR樣品在小區(qū)域內(nèi)表現(xiàn)出集中的V元素（由紅色箭頭表示），而HT和EPT樣品則表現(xiàn)出較大的聚集區(qū)域（由白色箭頭表示）。與HT樣品相比，EPT的元素分布更加均勻。雖然熱處理和電脈沖處理后的原始β晶粒的形態(tài)和尺寸差異很小，但是不同程度的α板條生長(zhǎng)、細(xì)小α′板條的形成以及元素分布的改變也會(huì)對(duì)Ti-6Al-4V的力學(xué)性能和耐腐蝕性能產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性影響。

圖3 不同樣品的IPF圖、重建的原始β晶粒、晶界分布圖、TKD/放大的IPF圖、α板條寬度分布直方圖以及Al和V的相關(guān)元素分布圖：(a、b、c、 d) AR，(e，f，g，h) HT，(i，j，k，l) EPT。Al和V元素分布圖分別對(duì)應(yīng)于AR樣品(d)的高倍率TKD圖片以及HT和EPT樣品的IPF圖片(h, l)。

為了克服EDS對(duì)元素分布檢測(cè)精度有限的問題，我們使用EMPA 行了額外的分析，以檢查不同狀態(tài)Ti-6Al-4V合金樣品的元素分布。結(jié)果如圖4所示。很明顯，與AR樣品和HT樣品相比，EPT樣品中Al和V元素的分布明顯更加均勻。HT中的αp和α′之間的Al和V含量差異大于EPT中的差異（分別為0.8 wt.% vs. 0.4 wt.%和3 wt.% vs. 0.9 wt.%）。這些結(jié)果表明，電脈沖處理可以有效減緩AEP的進(jìn)行。

圖4 不同樣品的顯微組織和元素分布：(a-c) AR，(d-f) HT，(g-i) EPT。

同時(shí)我們利用相關(guān)的模型對(duì)元素?cái)U(kuò)散進(jìn)行計(jì)算，V擴(kuò)散速率和擴(kuò)散距離的結(jié)果如圖5所示。在電脈沖過程中，與非熱效應(yīng)相比，熱效應(yīng)引起了更大的V擴(kuò)散速率。因此，非熱效應(yīng)引起的速率可以忽略不計(jì)（圖5（a））。擴(kuò)散速率取決于340 ms的電脈沖時(shí)間。值得注意的是，400 ms之前的無熱效應(yīng)的擴(kuò)散速率和擴(kuò)散距離可以忽略不計(jì)。電脈沖熱效應(yīng)引起的擴(kuò)散速率和擴(kuò)散距離在250 ms之前最初非常小。 然而，在此之后，它們會(huì)隨著時(shí)間的推移而顯著增加。因此，V 原子的擴(kuò)散主要發(fā)生在 250-340 ms 之間。由熱效應(yīng)決定的V的總擴(kuò)散距離約為0.06 μm（圖5（b））。V擴(kuò)散距離約為初始β相尺寸的2/3，在電脈沖過程中，初始β相位點(diǎn)周圍的V含量將顯著降低，因此，水冷后αp和βt區(qū)域的成分梯度將減小。

圖5 電脈沖過程中V元素在β中的擴(kuò)散速率(a)和距離(b)。

圖6 總結(jié)了AR、HT和EPT樣品的拉伸力學(xué)性能。相比AR，HT 樣品的σu和δ有所提高，但σy降低至~ 855 MPa。EPT表現(xiàn)出三種樣品中最高的σy（約 952 MPa）和σu（約 1123 MPa），并且其δ略高于AR（約13%）。樣品的加工硬化率曲線（圖9（b））表明熱處理和電脈沖都能提高SLM Ti-6Al-4V合金的加工硬化能力，從而獲得更高的σm（最大真實(shí)應(yīng)力）和Δσ （最大真實(shí)應(yīng)力與屈服強(qiáng)度之間的差異）。

圖6 樣品的拉伸性能：(a)工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線和獲得的性能值，(b)加工硬化率曲線和相關(guān)性能值。

圖7(a)描繪了不同樣品在3.5 wt.% NaCl 溶液中的開路電位 (Eocp)隨浸泡時(shí)間的變化情況。AR和EPT樣品具有接近的Eocp（約 -0.38 V），而HT樣品表現(xiàn)出稍微更正的Eocp（約 -0.34 V）。圖7(b)中的動(dòng)電位極化曲線表明，與AR相比，EPT樣品具有較低的鈍化電流(ip)。另一方面，HT樣品表現(xiàn)出不完全鈍化行為，如電流密度緩慢增加所示。此外，與AR樣品相比，EPT樣品的表面鈍化膜的擊穿電位(Eb)更低。圖7（c）中的擬合結(jié)果表明，EPT 樣品的腐蝕電流（Icorr，~ 0.13 μA/cm2）低于AR樣品（~ 0.16 μA/cm2），而HT樣品具有更高的Icorr（~ 0.34 μA/cm2)。計(jì)算出樣品的腐蝕速率如圖7（d）所示。EPT樣品顯示出最小的腐蝕速率，約為0.0012 mm/year。相比之下，HT 樣品表現(xiàn)出最大的腐蝕速率，約為0.0032 mm/year，大約是AR樣品腐蝕速率的兩倍。這些結(jié)果表明電脈沖可以增強(qiáng)SLM Ti-6Al-4V合金的耐腐蝕性能，而熱處理削弱了耐腐蝕性能。

圖7 (a) 樣品在 3.5 wt.% NaCl 溶液中的OCP曲線，(b)動(dòng)電位極化曲線，(c)腐蝕電位和腐蝕電流密度，(d)通過電流密度計(jì)算的腐蝕速率。

總結(jié)與展望
在本研究中，利用電脈沖對(duì)合金元素配分（AEP）的抑制，在SLM Ti-6Al-4V合金中構(gòu)建了一種新型雙板條微觀組織結(jié)構(gòu)。借助擴(kuò)散計(jì)算分析了該微觀結(jié)構(gòu)的成因，并與傳統(tǒng)熱處理的樣品進(jìn)行比較。通過拉伸測(cè)試評(píng)估機(jī)械性能，而通過電化學(xué)和浸泡測(cè)試評(píng)估腐蝕性能。主要發(fā)現(xiàn)如下：在相同的兩相區(qū)溫度處理時(shí)，電脈沖處理的樣品表現(xiàn)出與熱處理相似的雙板條微觀組織結(jié)構(gòu)，但前者的αp生長(zhǎng)和AEP過程的受到阻礙；計(jì)算結(jié)果表明，電脈沖作用下V的擴(kuò)散速率和擴(kuò)散距離都很小，但足以明顯降低初始β相位點(diǎn)的高濃度，從而導(dǎo)致α和βt區(qū)之間的元素濃度差異較小；熱處理過程中適當(dāng)?shù)腁EP由于βt區(qū)Al元素含量較低而降低了屈服強(qiáng)度，而電脈沖保持了較高的Al元素含量并在βt區(qū)引入了更細(xì)小的α′，從而提高了強(qiáng)度；電脈沖處理有效地減小了α和βt區(qū)域之間的元素濃度差，利于形成更致密的鈍化膜，它還減少了原電池效應(yīng)并增強(qiáng)了極化電阻；此外，該技術(shù)還可推廣到其他增材制造α+β鈦合金，同時(shí)提高其機(jī)械性能和耐腐蝕性能。

課題組介紹

嚴(yán)旭東 本文第一作者 大連理工大學(xué) 助理研究員

主要研究領(lǐng)域：增材制造鈦合金的后處理

個(gè)人簡(jiǎn)介：2023年9月博士畢業(yè)于吉林大學(xué)，同年10月入職大連理工大學(xué)化工海洋與生命學(xué)院。主要從事生物醫(yī)用鎂合金、增材制造鈦合金后處理和海洋用金屬材料的研究工作。以第一作者在Journal of Materials Science & Technology、Corrosion Science等期刊發(fā)表論文10余篇，主持遼寧省自然科學(xué)基金聯(lián)合基金項(xiàng)目1項(xiàng)。

徐曉峰 本文通訊作者 吉林大學(xué) 教授

主要研究領(lǐng)域：金屬材料強(qiáng)韌化

個(gè)人簡(jiǎn)介：教授，博導(dǎo)。近年來一直圍繞鋼鐵及輕合金強(qiáng)韌化設(shè)計(jì)開展了大量研究工作。主要從事鋼鐵、高強(qiáng)度鋁、鈦等合金的析出、強(qiáng)韌化和電致強(qiáng)化方面的研究工作。主持了國家自然科學(xué)基金（面上）“新型含Ca低合金高性能鎂合金電致溶質(zhì)再分布及析出相調(diào)控機(jī)制”、國家自然科學(xué)基金（青年） “超高強(qiáng)、高韌α+β型鈦合金的電致強(qiáng)化機(jī)理”項(xiàng)目、吉林省重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目和國家重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)課題子項(xiàng)等項(xiàng)目。作為第一作者/通訊作者在Journal of Materials Science & Technology、Scripta Materialia等國際知名學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文40余篇。

引用本文
Xudong Yan, Xiaofeng Xu, Yachong Zhou, Zhicheng Wu, Lai Wei, Dayong Zhang, Constructing a novel bi-lamellar microstructure in selective laser melted Ti-6Al-4V alloy via electropulsing for improvement of strength and corrosion resistance, J. Mater. Sci. Technol. 193 (2024) 37-50.