西工大黃衛(wèi)東,、林鑫教授團隊：激光定向能量沉積鈦合金的β晶粒粗化,！

來源：材料學網(wǎng)

導讀：增材制造（AM）鈦合金中的β-晶粒的熱影響粗化,，對于獲得類似鍛件的細β-晶粒非常重要,，但是,，在以往的研究中卻被完全忽視了,。在此,，本文報告了激光定向能量沉積期間的瞬間高溫（高于β-相變點Tβ）的熱循環(huán)可以使Ti6Al4V的等軸β-晶粒發(fā)生顯著的粗化。在初始β-晶粒較小,、激光能量密度較大和預熱溫度較高的情況下,，晶粒粗化更加嚴重。同時,，提出了一個用于預測AM鈦合金粗化的β-晶粒大小的修正模型,。這些研究結(jié)果不僅提供了對AM鈦合金的β-晶粒的更全面的認識，而且對具有細小等軸β-晶粒的AM鈦合金的成分設(shè)計有重要指導意義,。

增材制造（AM）技術(shù)已被用于制造具有復雜幾何形狀的近乎全致密的鈦合金零件,，這些零件具有與鍛件相當?shù)撵o載性能。然而,，在AM鈦合金中沿沉積方向外延生長的粗大的柱狀初生β晶粒會導致顯著的機械性能各向異性和較差的動載性能,，如低周疲勞性能。這些缺點顯著地限制了AM鈦合金的廣泛應(yīng)用,。因此,，在AM鈦合金中非常渴望獲得幾十微米的類似鍛件的細等軸β晶粒,。

考慮到熱處理在細化/改變初生β晶粒方面的局限性,，關(guān)于實現(xiàn)細等軸β晶粒的研究主要集中在沉積態(tài)的AM鈦合金上。一般來講,，沉積態(tài)的AM鈦合金的最終β晶粒組織取決于熔池凝固期間中的晶粒生長和反復熱循環(huán)導致的熱影響區(qū)（HAZ）中的晶粒粗化,。一方面，到目前為止，研究者已經(jīng)在通過控制凝固過程來改變β晶粒方面做出了許多努力,。詳細的方法包括：(i) 通過添加具有較大生長限制因子的合金元素來增加成分過冷度,，(ii) 增加形核位點，如采用較大的送粉量或強烈的高強度超聲波,，以及(iii) 通過改變工藝參數(shù)來改善熔池的特性,。另一方面，以前所有關(guān)于AM鈦合金HAZ的研究主要集中在α相的粗化（層帶：粗大的魏氏α集束）和隨工藝參數(shù)變化的HAZ,，然而,，在動力學上與α相的粗化完全不同的AM鈦合金HAZ中的β晶粒的粗化被完全忽視了。

實際上,，眾所周知,，在傳統(tǒng)工藝（鑄造、焊接和鍛造）中,，在Tβ以上,，鈦合金中的β-晶粒會發(fā)生明顯的粗化。然而,，與傳統(tǒng)工藝相比,，AM期間的多個Tβ以上的瞬時高溫熱循環(huán)的時間非常短，例如,，在激光定向能量沉積（DED）過程中,，每個熱循環(huán)的時間＜ 1s。因此,，在AM鈦合金中是否會發(fā)生β-晶粒的熱影響粗化仍然是未知的,。

在本工作中，西工大黃衛(wèi)東,、林鑫教授團隊特意設(shè)計了初始等軸β-晶粒尺寸（D0）約為80μm的Ti6Al4V基材,。在25℃和預熱800℃的情況下，研究了作為DED期間能量密度（El）的函數(shù)的Ti6Al4V粗化的β-晶粒尺寸（D）,、晶粒粗化程度（m=D/D0）和晶粒粗化厚度（h）,。此外，根據(jù)有限元（FE）模擬的溫度數(shù)據(jù),，采用了一個修正模型來預測β-晶粒的粗化,。相關(guān)研究成果以題“Heat-affected coarsening ofβ grain in titanium alloy during laser directed energy deposition”發(fā)表在國際著名期刊Scripta materialia上。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S1359646221004607

圖1顯示了El為217J/mm的25℃和800℃基體的DED試樣的顯微組織,。該組織由四個區(qū)域組成：原始基材,、微-HAZ（以粗化的α相為特征）、β-HAZ（以明顯粗化的β晶粒為特征）和沉積層,�,；�材呈現(xiàn)等軸的β晶粒（彩色）和均勻分布的少量殘留初生α相（白色）,。25℃和800℃基材的平均D0分別為70μm和56μm，相應(yīng)地,，β-HAZ中的平均D分別為211μm和289μm,；代表粗化的β晶粒厚度的β-HAZ高度h分別為597μm和1942μm。

圖1. 基材經(jīng)過El=217J/mm的DED之后的OM和重構(gòu)的EBSD圖：(a)25℃基材,；(b)預熱的800℃基材,。

基于實驗測量,，圖2給出了不同工藝條件下的D0,、D、m和h,。所有基材的D0均為56~91微米,。800℃基材的D、m和h的值均比25℃基材的大,，并且在相同的基材溫度下,，D、m和h的值都隨著El的增加而增加,。具體來說,，當El等于425J/mm時，在25℃和800℃基材的兩種情況下,，D分別達到374μm和546μm,，約為D0的4倍和9倍，相應(yīng)的h也分別達到1160μm和4162μm,。

圖2 在25℃和預熱的800℃基材的情況下,，不同El的β晶粒的粗化。(a)通過實驗和模擬得到的D0和D,，(b)晶粒粗化程度m和晶粒粗化厚度h,。

根據(jù)以前的研究，在DED鈦合金中,，沉積層厚度（相鄰兩條熔合線之間的距離）約為單層高度的40%,。在本研究中，對于25℃和800℃基材,，單層高度分別約為637~1640μm和787~2738μm,。因此，相應(yīng)的理論層厚分別為255~656 μm和315~1095 μm,。顯然,，h（25℃：344~1160μm和800℃：646~4162μm）要比層厚大很多。因此,，在DED的多層沉積期間,，β-晶粒的大小可能會受到后續(xù)幾個沉積層的影響,，因此，從這個單層沉積實驗中得到的m被低估了,。此外,，基材中殘留的初生α相的存在可能會延緩β-HAZ中β-晶粒的粗化。

圖3. 在不同工藝條件下,，某一點（熔合線中間正下方150微米）高于Tβ的溫度,，相應(yīng)的加熱和冷卻速率。(a) 25℃基材,；(b)預熱的800℃基材,；(c)溫度高于Tβ時的峰值溫度Tp和時間Δt。

圖4. 在不同的El和D0條件下,，F(xiàn)E模擬得到β-HAZ中的m（彩色）和β-晶粒尺寸D（深灰色線）的等值線圖：（a）25℃基材,；（b）預熱的800℃基材。

總之,，激光定向能量沉積期間的瞬間高溫（高于Tβ）可以使Ti6Al4V的等軸β-晶粒發(fā)生顯著的粗化,。值得注意的是，在初始β-晶粒較小,、激光能量密度較大和預熱溫度較高的情況下,，晶粒粗化更加嚴重。因此,，為了在AM鈦合金中獲得細小的等軸β晶粒,，必須充分注意避免β晶粒的熱影響粗化，特別是對于包含大量熱量累積的大型零件的高效率沉積,。盡管可以通過降低El和基材溫度來抑制晶粒粗化,，但值得注意的是，對優(yōu)化參數(shù)的任何改變都可能導致缺陷（如孔隙率或熔合不良）,，并將犧牲沉積效率,。此外，當熱處理期間的溫度高于Tβ時也可能發(fā)生晶粒粗化,。然而,，從AM鈦合金成分設(shè)計的角度來看，可以通過增加微量硼來提高晶粒生長激活能Q,，以及通過引入RE2O3等穩(wěn)定的細顆粒來阻礙晶界遷移,，從而減小晶粒粗化。這些研究結(jié)果不僅提供了對AM鈦合金的β-晶粒的更全面的認識,，而且對具有細小等軸β-晶粒的AM鈦合金的成分設(shè)計有重要指導意義,。