北科大《MSEA》：實(shí)現(xiàn)增材制造鈦合金強(qiáng)塑性良好匹配

來源：材料科學(xué)與工程

鈦及鈦合金由于其高強(qiáng)度,、低密度、生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)在增材制造領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用價值,。然而,，由于增材制造固有的高冷卻速率，近α及α+β鈦合金的沉積態(tài)組織通常為馬氏體α’組織,。馬氏體組織盡管有高的強(qiáng)度,，然而延伸率和熱穩(wěn)定性較差，因此在制備后通常需要進(jìn)行一定的后處理來穩(wěn)定合金的組織和性能,。

來自北京科技大學(xué)等單位的研究人員針對增材制造制備TA15鈦合金,，提出了通過三段熱處理以調(diào)控出合金的三模態(tài)組織，從而獲得優(yōu)異的綜合力學(xué)性能,。相關(guān)論文以題為“Achieving an ideal combination of strength and plasticity in additive manufactured Ti–6.5Al–2Zr–1Mo–1V alloy through the development of tri-modal microstructure”發(fā)表于Materials Science & Engineering A,。

論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.msea.2022.142944

TA15鈦合金（Ti–6.5Al–2Zr–1Mo–1V）是一種典型中等強(qiáng)度的近α鈦合金，有較好的高溫力學(xué)性能,，極佳的可焊性和工藝塑性,。與廣泛應(yīng)用的Ti-6Al-4V合金相比，TA15合金的工作溫度更高,，在中等溫度（450-500℃）下具有較高的力學(xué)性能。在以往研究中,，已有研究報道通過增材制造（如LPBF）制備TA15鈦合金,，并展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景,。

本文通過三級熱處理調(diào)控了增材制造LPBF態(tài)TA15鈦合金的微觀組織，以實(shí)現(xiàn)在盡量低的消耗強(qiáng)度的基礎(chǔ)上提高合金的延展性,。其具體的熱處理制度如下圖所示,。所設(shè)計的實(shí)驗(yàn)方案對第一階段的冷卻方法、保溫時間以及第二階段的退火溫度的影響進(jìn)行了研究,。并結(jié)合合金的微觀組織及對應(yīng)的力學(xué)性能進(jìn)行了分析,，深入闡釋了熱處理過程中TA15合金三模態(tài)微觀組織的形成過程、球化機(jī)理及對力學(xué)性能的影響,。

圖1本文設(shè)計的三級熱處理制度

圖2為不同熱處理狀態(tài)下TA15合金的顯微組織,。在970°C保溫1.5h后空冷（AC），TA15合金的顯微組織由少量等軸α晶粒,、大量層狀α和β轉(zhuǎn)變組織組成,。而在970°C保溫1.5h后爐冷（FC），顯微組織則由大量等軸或短棒狀α,、少量層狀α和β轉(zhuǎn)變組織組成,。以及當(dāng)冷卻方式為水淬（WQ）時，合金的顯微組織由少量殘余初生等軸α,、細(xì)片狀α和馬氏體α'組成,。也就是說，隨著第一階段熱處理的冷卻速率的增加,，等軸α相的體積分?jǐn)?shù)和平均粒徑減小,，同時層狀α體積分?jǐn)?shù)增加、平均寬度減小,，β轉(zhuǎn)變組織的體積分?jǐn)?shù)變化不大,。此外，通過在970°C/2 h/WQ+930 °C/3 h/AC+600 °C/4 h/AC熱處理后,，調(diào)控出了包含等軸α,、層狀α和β轉(zhuǎn)變組織的典型三模態(tài)組織，如圖2（f）所示,。在該種熱處理制度下,，合金的顯微組織由17%的等軸α、48%的層狀α以及35%的β轉(zhuǎn)變組織組成,。

圖2不同熱處理狀態(tài)下TA15合金的顯微組織

(a)970 °C/1.5h/AC, (b) 970 °C/1.5h/FC, (c) 970 °C/1.5h/WQ; (d) HT1, (e) HT2, (f)HT3. 力學(xué)性能測試結(jié)果表明,，在上述三級熱處理制度下，TA15合金的塑性得到極大提升,，最高可達(dá)到16.07%,，如圖3所示。此外，熱處理后材料的屈強(qiáng)比也得到提高,。

圖3不同熱處理狀態(tài)下TA15合金的力學(xué)性能

總的來說,，本文通過針對LPBF制備TA15合金的后處理過程中微觀組織和力學(xué)性能演變行為展開了研究。通過本文提出的三級熱處理工藝,，成功調(diào)控出了TA15合金的三模態(tài)組織,，使得合金在不犧牲過量強(qiáng)度的情況下，塑性得到了極大提升,。本文結(jié)果對其他增材制造近α合金及α+β鈦合金的后處理過程工藝制定同樣具有指導(dǎo)作用,。