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西北工業(yè)大學(xué)《MRL》：實(shí)現(xiàn)增材制造全等軸細(xì)β晶粒鈦合金！

2022-10-20 14:25:50 作者：材料學(xué)網(wǎng) 來(lái)源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

增材制造（AM）是一種革命性的技術(shù)，它為部件的近凈形狀和靈活設(shè)計(jì)提供了一種有前途的方法。鈦基合金是應(yīng)用于AM加工的最成熟的合金之一。然而，AM中固有的高冷卻速率和高熱梯度經(jīng)常產(chǎn)生粗大的柱狀β-晶粒和連續(xù)的晶界α-相，沿著鈦合金的沉積方向長(zhǎng)達(dá)幾厘米，導(dǎo)致機(jī)械性能明顯的各向異性和低周期疲勞性能差。因此，為了制造高質(zhì)量的AM鈦合金部件，實(shí)現(xiàn)等軸細(xì)β-晶粒是必不可少的。

一般來(lái)說(shuō)，人們認(rèn)為AM鈦合金中的等軸細(xì)β-晶粒在大的憲政過(guò)冷（CS）下更容易獲得，因?yàn)樗粌H可以促進(jìn)柱狀向等軸過(guò)渡（CET），而且可以限制凝固過(guò)程中的晶粒生長(zhǎng)。但由于Ti中有限的最大溶解度c0-max不能提供足夠的CS以促進(jìn)成核，因此它們不能產(chǎn)生完全等軸的β晶粒。

最近，西北工業(yè)大學(xué)林鑫教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)結(jié)合實(shí)驗(yàn)觀察和有限元熱模擬，分別研究了DED Ti6Al4VxNiyB在凝固和后續(xù)熱循環(huán)后的β-晶粒形態(tài)和尺寸。此外，還分析了其拉伸性能及其各向異性。研究證明，在DED鈦合金的單一瞬間高溫?zé)嵫h(huán)（<1秒）下，β-晶粒可以粗化3-9倍。毋庸置疑，在精煉β-晶粒時(shí)也必須抑制這種粗化。因此，在凝固和隨后的熱循環(huán)過(guò)程中，對(duì)晶粒結(jié)構(gòu)的協(xié)同控制對(duì)于在AM鈦合金中實(shí)現(xiàn)等軸細(xì)化β晶粒是至關(guān)重要的。因此，在DED Ti6Al4V中選擇低含量的Ni和微量的B作為合金元素，以便在凝固和隨后的熱循環(huán)中協(xié)同控制β-晶粒結(jié)構(gòu)。

相關(guān)研究成果以題“Achieving fully-equiaxed fine β-grains in titanium alloy produced by additive manufacturing”發(fā)表在國(guó)際著名期刊Materials Research Letters上。

鏈接：https://doi.org/10.1080/21663831.2022.2115323

圖1 Ti6Al4VxNiyB頂部的β-晶粒和最后一層的初始凝固機(jī)制。（a）,（d） Ti6Al4V; （b）,（e） Ti6Al4V3Ni; （c）,（f）Ti6Al4V3Ni0.05B; （g）晶粒尺寸d0與反Q的關(guān)系圖。TE是平衡液相溫度，Tn是成核的臨界過(guò)冷度）。

圖2 位于Ti6Al4V3NiyB礦床中間的β-晶粒。（a）Ti6Al4V3Ni, （b）Ti6Al4V3Ni0.05B；（c）β-晶粒尺寸和粗化度m；（d）模擬m對(duì)d0的函數(shù)，符號(hào)代表實(shí)驗(yàn)值；（e）Ti6Al4V3Ni和（f）Ti6Al4V3Ni0.05B中模擬δdi，d=d0+δdi，δMi和M=δMi對(duì)熱循環(huán)數(shù)（Tβ<t< span="">p<t< span="">s）。（Ts和Tβ是用Thermo-Calc計(jì)算的）。</t<></t<><t< span=""><t< span=""></t<></t<>

圖3 Ti6Al4VxNiyB沉積物中間的微觀結(jié)構(gòu)。原狀：（a）Ti6Al4V，（b）Ti6Al4V3Ni，和（c）Ti6Al4V3Ni0.05B，（d）熱處理的Ti6Al4V3Ni0.05B。

圖4 Ti6Al4VxNiyB合金的力學(xué)性能。（a）代表性的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線；誤差棒（UTS和EL）代表一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差。（b）通過(guò)DED和Ti6Al4V的ASTM標(biāo)準(zhǔn)，熱處理后的Ti6Al4V3Ni0.05B的拉伸性能與Ti-Cu和Ti6Al4V相當(dāng)。（c）各向異性。

圖5 縱向試樣的斷裂面：（a）（c）建成的Ti6Al4V，（b）（d）建成的Ti6Al4V3Ni，Ti6Al4V3Ni0.05B（e）（f）建成的和（g）（h）熱處理過(guò)的。

綜上所述，通過(guò)在凝固和后續(xù)熱循環(huán)過(guò)程中協(xié)同控制β-晶粒，并進(jìn)行固溶+淬火熱處理，展示了在AM鈦合金中實(shí)現(xiàn)完全等軸細(xì)β-晶粒的合金設(shè)計(jì)方法。這首次揭示了在凝固的等軸晶粒中，通過(guò)共同添加Ni和B可以實(shí)現(xiàn)1+1>2的晶粒細(xì)化效果，并且微量B在再熱循環(huán)和凝固過(guò)程中對(duì)β晶粒的細(xì)化起著同樣重要的作用。強(qiáng)度和塑性都熱處理后的Ti6Al4V3Ni0.05B的強(qiáng)度和塑性都得到了提高，并與DED Ti6Al4V相當(dāng)，這是由于細(xì)小的全等軸β-晶粒與內(nèi)部（α-Ti+β-Ti）微觀結(jié)構(gòu)。這些發(fā)現(xiàn)為AM鈦合金的晶粒結(jié)構(gòu)控制和成分設(shè)計(jì)提供了新的見(jiàn)解。

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