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《JMST》:增材制造雙相鈦合金的變體選擇行為研究!

3D打印前沿
2022
03/08
22:32
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評(píng)論
來源:材料科學(xué)與工程

鈦合金相變的變體選擇是近年來鈦合金領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),,但同時(shí)又是難點(diǎn)之一,。由于β相和α相發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)變時(shí)存在伯格斯位向關(guān)系(Burgers  orientation relationship),,單一β相可以轉(zhuǎn)化為12種不同的α變體。盡管之前已有大量針對鈦合金變體選擇的研究,,但對鈦合金增材制造的變體選擇行為還缺乏理解,,根本原因可歸因于β→α變體選擇的晶體學(xué)復(fù)雜性。

近日,,澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)S.L. Lu等人對增材制造的雙相鈦合金的變體選擇展開了研究,,研究結(jié)果表明在增材制造雙相鈦合金中的柱狀β晶粒和等軸β晶粒內(nèi)部展現(xiàn)出完全不同的變體選擇行為,因此對合金的力學(xué)性能和變形行為具有顯著影響,,相關(guān)機(jī)理在文中進(jìn)行了詳細(xì)分析,。相關(guān)論文以題為“Variant selection in additively manufactured alpha-beta titanium alloys”發(fā)表于Journal of Materials Science & Technology。

論文鏈接:https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S1005030221010537


雙相鈦合金(α+β)由于其強(qiáng)度高,、耐熱性好,、綜合力學(xué)性能好,在增材制造領(lǐng)域中占有很大的比重,。對于傳統(tǒng)的雙相鈦合金Ti-6Al-4V和Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo,,增材制造后的樣品通常展現(xiàn)出明顯的β柱狀組織。由于成型過程中利于生產(chǎn)的熱梯度的影響,,這種β柱狀晶粒通常具有<001>方向平行于構(gòu)建方向BD的織構(gòu),,并在隨后相變過程中會(huì)導(dǎo)致α相的<0001>方向與水平面成0°或45°左右,最終對合金的力學(xué)性能和變形行為產(chǎn)生顯著影響,。由于β相向α相轉(zhuǎn)變過程存在伯格斯位向關(guān)系,,單一β相可以隨機(jī)轉(zhuǎn)化為12種不同的α變體。顯然,增材制造過程中,,α變體的產(chǎn)生并不是隨機(jī)的,,即發(fā)生了明顯的變體選擇。

本文通過調(diào)節(jié)激光金屬粉末沉積(laser  metal powder  deposition, LMD)工藝參數(shù)分別合成了具有柱狀β晶粒和等軸β晶粒的Ti-6Al-4V,、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo和Ti-4Al-2V雙相鈦合金,,其微觀組織如下圖所示。

圖1具有柱狀和等軸β晶粒的雙相鈦合金

如圖2所示,,對晶界角度進(jìn)行分析表明,,具有柱狀晶粒的雙相鈦合金內(nèi)部以63°位向角為主,而具有等軸晶粒的雙相鈦合金內(nèi)部則以60°位向角為主,。這表明柱狀和等軸β晶粒內(nèi)部不同的變體選擇行為的發(fā)生,。

圖2合金內(nèi)部的晶界角度分布圖

如圖3所示,通過對β相晶粒進(jìn)行重構(gòu),,從而實(shí)現(xiàn)了對各類α變體的識(shí)別,。具體的關(guān)于各字母代表的變體的定義已在文中給出,此處不做贅述,�,?傮w結(jié)果表明等軸β晶粒內(nèi)部發(fā)生了更為明顯的變體選擇現(xiàn)象。進(jìn)一步的分析表明,,柱狀β晶粒內(nèi)部產(chǎn)生了大量的第二類型團(tuán)簇(CategoryII clusters),,該類團(tuán)簇由A/E/I、B/D/L,、C/G/K,、F/H/J類型α變體構(gòu)成,且變體間α具有60°/[11 -2 0]的界面,。而等軸晶粒內(nèi)部則產(chǎn)生了大量第一類型團(tuán)簇(CategoryI clusters),,該類團(tuán)簇由A/B/C、D/E/F,、G/H/I,、J/K/L類型α變體構(gòu)成,且變體間具有63.26°/[-105 5 -3]界面,。

圖3柱狀β晶粒和等軸β晶粒內(nèi)部的變體選擇行為

通過對柱狀β晶粒和等軸β晶粒內(nèi)部α變體的施密特因子進(jìn)行分析,,等軸β晶粒內(nèi)部的α變體展現(xiàn)出較低的累積施密特因子分布。尤其是在較高的施密特因子(>0.45)區(qū)域,,柱狀β晶粒的占比明顯比等軸晶粒多,。這可能是由于柱狀β晶粒內(nèi)部的相變織構(gòu)導(dǎo)致α的<0001>方向與水平面成45°,從而平行于拉伸過程的最大剪切應(yīng)力所致,。相反,,對于等軸β晶粒而言,,由于整體較弱的織構(gòu),內(nèi)部不會(huì)存在這種微觀織構(gòu)上的缺點(diǎn),,因此等軸β晶粒往往展現(xiàn)出較高的屈服強(qiáng)度,。

圖4施密特因子分布圖

本文對具有不同β晶粒形貌的增材制造雙相鈦合金的變體選擇行為展開了研究�,?偟膩碚f,,具有不同β晶粒形貌的雙相鈦合金(等軸和柱狀)合金內(nèi)部展現(xiàn)出截然不同的變體選擇行為,從而顯著影響了兩種微觀組織的變形行為和力學(xué)性能,。通過本文中的研究結(jié)果,,通過設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)脑霾闹圃旃に囘^程,從而實(shí)現(xiàn)β晶粒形貌和α變體選擇的有效調(diào)控,,將有助于獲得力學(xué)性能優(yōu)異的增材制造雙相鈦合金,。


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