上海大學(xué)《MRL》：靜磁場(chǎng)調(diào)控激光增材制造鈦合金組織并實(shí)現(xiàn)性能提升,！

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2022年4月30日,，南極熊獲悉，上海大學(xué)省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任任忠鳴教授團(tuán)隊(duì)與法國(guó)電磁冶金領(lǐng)域權(quán)威專家Yves Fautrelle教授,、法國(guó)增材制造權(quán)威專家Liao Hanlin教授,、香港城市大學(xué)的呂堅(jiān)院士合作，在靜磁場(chǎng)調(diào)控激光增材制造鈦合金微觀組織及性能控制方面取得新的進(jìn)展,。相關(guān)成果以“Enhanced mechanical properties of Ti6Al4V alloy fabricated by laser additive manufacturing under static magnetic field”為題發(fā)表在材料領(lǐng)域國(guó)際著名期刊《Materials Research Letters》（IF=7.323）,。論文第一作者為博士研究生趙睿鑫，通訊作者為上海大學(xué)的陳超越,、王江老師,，上海大學(xué)為唯一通訊單位。該項(xiàng)目得到了國(guó)家重點(diǎn)研究發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目,、中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì),、上海啟明星計(jì)劃,、上海曙光計(jì)劃資助。

全文鏈接：https://www.tandfonline.com/doi/ ... 663831.2022.2064195

激光增材制造（LAM）因其獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn),，近年來(lái)得到了迅速發(fā)展,。然而由于高溫度梯度和高冷卻速率的特性，增材制造樣品呈現(xiàn)出沿增材方向（BD）柱狀晶組織,，以及力學(xué)性能各向異性和塑性不足,。目前普遍采用后處理、合金成分設(shè)計(jì),、實(shí)時(shí)軋制,、實(shí)時(shí)超聲處理等手段，無(wú)接觸調(diào)節(jié)金屬增材制造過(guò)程方法也同樣得到了廣泛關(guān)注,。上海大學(xué)任忠鳴教授團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事電磁場(chǎng)下材料制備的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究,。

近日該團(tuán)隊(duì)成員創(chuàng)新性地提出利用實(shí)時(shí)外加靜磁場(chǎng)調(diào)控L-DED成形Ti6Al4V合金微觀組織，在固液界面前沿初生枝晶周圍的產(chǎn)生熱電磁流動(dòng),，實(shí)現(xiàn)了中組織,、織構(gòu)和晶粒尺寸變化,，最終在不損失塑性的前提下顯著提高了L-DED增材制造Ti6Al4V鈦合金的塑性，并減弱了力學(xué)性能各向異性,。

圖 1（a） L-DED樣品在0.55 T橫向靜磁場(chǎng)下的凝固過(guò)程,；（b）磁場(chǎng)強(qiáng)度分布；（c）凝固前沿的熱電流和熱電磁力,；（d）,、（g）增材制造樣品光鏡圖；（e） β晶粒顯微圖,；（f）,、（i）β晶粒尺寸直方圖

圖2（a）加磁場(chǎng)及（b）未加磁場(chǎng)樣品中β相的{001}XRD極圖；（c） 加磁場(chǎng)及（d）不加磁場(chǎng)樣品中β相的{110}XRD極圖,；（e）,、（f）為{110}極圖中<100>和<110>的標(biāo)準(zhǔn)極點(diǎn)。（g）（001）<100>織構(gòu),，無(wú)磁場(chǎng)和有磁場(chǎng)樣品的體積百分比

圖3 無(wú)磁場(chǎng)（a）~（d）,，有磁場(chǎng)（e）~（h）樣品的顯微表征：圖（a）、（e）為SEM圖,；（b）,、（f）為反極圖；圖（c）,、（g）為（b）,、（f）圖中對(duì)應(yīng)(0002) α的極圖；圖（d）,、（h）為TEM暗場(chǎng)圖像

研究表明L-DED所具有的大溫度梯度特性使得凝固過(guò)程中糊狀區(qū)在靜磁場(chǎng)下產(chǎn)生作用于胞狀枝晶上的單向熱電磁力,，該力足以扭曲糊狀區(qū)中的柱狀晶粒，從而改變初生β晶粒取向,，得到織構(gòu)強(qiáng)度更低,、尺寸更細(xì)小的初生β晶粒，且由于α相和初生β相取向遵循典型的伯恩斯關(guān)系,，β織構(gòu)的減弱也促進(jìn)了α相織構(gòu)強(qiáng)度的降低,，增加了初生β晶界處不同取向的α形核數(shù)量，進(jìn)一步減少影響性能的魏氏體組織,，并且形成了不連續(xù)的晶界α相,。由于晶粒的細(xì)化、強(qiáng)織構(gòu)的改善及晶界連續(xù)α相的消失,，在減緩了樣品各向異性的同時(shí),，保證強(qiáng)度的前提下提升了樣品的塑性。平行和垂直增材方向的抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度的差值分別為由未加磁場(chǎng)時(shí)的160MPa及130MPa縮減到加磁場(chǎng)后的56MPa和13.5MPa,，有效改善了性能上的各向異性,，并且垂直增材方向的延伸率從未加磁場(chǎng)的3.4±0.7%變?yōu)?0.8±2.8%,，具有很大提升，同時(shí)平行增材方向的塑性也得到了一定的提高,。

圖4 （a）有磁場(chǎng)及無(wú)磁場(chǎng)樣品的應(yīng)力-應(yīng)變曲線;（b）本實(shí)驗(yàn)樣品性能與不同狀態(tài)樣品性能對(duì)比

圖5（a） 和（c）α相的GBs 反極圖,；（b）、（d）重建的β相反極圖,；（e）和（f）對(duì)應(yīng)于（a）和（c）圖中的{0002}α極圖,；（g） 和（h）對(duì)應(yīng)于（b）和（d）中的重構(gòu)β相{110}極圖

作者以雙相鈦合金Ti6Al4V為研究對(duì)象，在L-DED過(guò)程中添加無(wú)接觸外場(chǎng)——靜磁場(chǎng)對(duì)增材過(guò)程進(jìn)行調(diào)控,，結(jié)果表明橫向靜磁場(chǎng)能夠與熔體在短時(shí)間的相互作用下改變?nèi)鄢氐奈⒂^結(jié)構(gòu)并實(shí)現(xiàn)材料的組織及織構(gòu)控制,。研究中表明，在Ti6Al4V的L-DED過(guò)程中應(yīng)用靜磁場(chǎng)可以產(chǎn)生顯著的熱電磁力,，引起β相的織構(gòu)和晶粒尺寸的變化,，并對(duì)不連續(xù)αGBs的形成產(chǎn)生更深遠(yuǎn)的影響，且磁場(chǎng)的加入導(dǎo)致不連續(xù)的α晶界提高了L-DED雙相鈦合金Ti6Al4V的塑性,。該研究表面靜磁場(chǎng)可以有效控制激光增材制造過(guò)程,，并實(shí)現(xiàn)微觀組織的無(wú)接觸式控制。為解決目前困擾激光增材制造領(lǐng)域的諸多難題,，提供了潛在的解決方案,。