Nature子刊：改善增材制造鈦合金的相和性能非均質(zhì)性

來源：材料科學與工程

增材制造(AM),，通過連續(xù)添加材料來創(chuàng)建數(shù)字化設計的零件,。然而，由于增材制造金屬零件固有的熱循環(huán)特性,，幾乎不可避免地會產(chǎn)生空間相關的相非均質(zhì)性和力學性能,，這可能會導致不可預測的失效,。

在此，來自南京理工大學,、重慶大學,、澳大利亞昆士蘭大學等單位研究者，展示了一種協(xié)同合金設計方法,，來克服激光粉末床熔合制造鈦合金的這一問題,。相關論文以題為“Designing against phase and property heterogeneities in additively manufactured titanium alloys”發(fā)表在Nature Communications上。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-32446-2

與傳統(tǒng)的金屬制造工藝(如鑄造和加工)不同,，增材制造(AM)通過使用高能源(如激光,、電子束或等離子弧)熔化原料(如粉末或電線)來一層一層地構建數(shù)字設計的零件。增材制造進程的這一獨特特性是一把雙刃劍,。一方面,，它提供了生產(chǎn)理想形狀、微結構和性能的可能性,，而這些是傳統(tǒng)制造方法無法實現(xiàn)的,。另一方面，增材制造過程中固有的陡直的熱梯度,、高的冷卻速率以及復雜的熱歷史,，通常會導致孔隙、元素偏析,、柱狀晶粒和組織中不均勻的相分布——無論是在凝固過程中還是在隨后的固態(tài)相變過程中——這導致了構建金屬部件不同位置的不均勻力學性能,。通過控制工藝參數(shù)和/或合金成分，與孔隙,、元素偏析和柱狀晶粒有關的問題得到了有效解決,。然而，由于在增材制造凝固后發(fā)生固相轉變的合金中幾乎不可避免地會出現(xiàn)相不均勻性,，因此,，獲得均勻的力學性能仍然是一個長期的挑戰(zhàn)。這種現(xiàn)象,，在具有復雜幾何形狀的增材制造金屬部件中更為明顯,，這些部件包含對機械載荷響應不同的區(qū)域，從而導致不可預測的服務故障,。

Ti-6Al-4V合金是一種典型的在增材制造過程中,，沿構筑方向呈現(xiàn)相空間變化的合金。在增材制造過程中,，如激光粉末層熔化(L-PBF)(圖1a),，Ti−6Al−4V在第一層凝固后，由于冷卻速度快,，發(fā)生了固態(tài)β(體心立方組織)→α′(六邊形閉排組織)馬氏體轉變,。隨著連續(xù)層的加入,，最初形成的針狀α′馬氏體，在熱循環(huán)下分解為片層(α+β)組織(圖1a),。因此,，L-PBF制備的Ti−6Al−4V的微觀組織沿構建方向具有空間依賴性，在頂部表面形成針狀α′馬氏體,，而在下部形成部分或完全穩(wěn)定的片層(α+β)組織,。通過掃描電子顯微鏡(SEM)(圖1b)和X射線衍射(XRD)也證實了這種梯度相分布。

為了揭示相的不均勻性對力學性能的影響,，研究者對L-PBF制備的Ti−6Al−4V試樣,，進行了室溫下垂直和水平方向的拉伸測試。打印態(tài)Ti−6Al−4V在兩個方向上都表現(xiàn)出相似的強度但高度分散的塑性(圖1c),。特別是水平方向的拉伸延性(從拉伸延伸到破壞)變化明顯,，從9.4%到17.6%不等，其中頂面最小,。微觀結構分析揭示空間相分布是最可能的原因,，在這里觀察到高度分散的延性。這一觀察結果也與通常的觀點一致,，即針狀α′馬氏體,，由于無法抵抗裂紋萌生而導致其延性低于片層組織(α+β)。

圖1 Ti−6Al−4V與新開發(fā)的激光動力床熔合(L-PBF)合金(25Ti−0.25O)的組織和拉伸性能比較,。

在過去的十年中,，針對L-PBF增材制備Ti - 6Al - 4V中不需要的α′馬氏體的消除問題，從工藝控制和合金設計兩方面進行了大量的研究,。前一種策略通常涉及操縱L-PBF的熱循環(huán)來觸發(fā)本構熱處理(IHT),，這促進了馬氏體的原位分解。然而,，由于頂層所經(jīng)歷的熱循環(huán)有限或缺乏,，針狀α′馬氏體只能部分分解甚至保留。因此,，無法消除沿建筑物方向的相位不均勻性,。雖然增材制造后熱處理經(jīng)常進行均勻化組織，不幸的是,，它延長了生產(chǎn)周期，影響了增材制造工藝的有效性,。因此,，首先消除相的不均勻性是非常可取的,。另外,，Ti-6Al-4V與β穩(wěn)定元素(例如Mo)的原位合金化,，可以通過單質(zhì)粉末形成完整的β相，從而獲得高的延展性(盡管以強度損失為代價),。然而,，由此產(chǎn)生的未熔化的添加劑顆粒或顯著的元素偏析,，可能會導致力學性能不均勻和不可重復的問題,。

在此，研究者展示了一種協(xié)同合金設計方法,，通過在Ti-6Al-4V原料中聯(lián)合添加商業(yè)純鈦(CP-Ti)粉末和Fe2O3納米顆粒,，可以在L-PBF生產(chǎn)的鈦合金中原位消除相不均勻性。與Ti−6Al−4V形成強烈對比的是(圖1b),，它沿建筑方向顯示出顯著的相位變化,，新設計的合金-例如，添加了25 wt % CP−Ti和0.25 wt % Fe2O3的合金(以下簡稱25Ti−0.25O,，其他新開發(fā)的合金以相同的方式表示),，在與Ti−6Al−4V相比的強度水平上，在整個加工部分顯示出均勻的片層(α+β)微觀組織(圖1d),。這種均勻的微觀組織,，導致了在垂直和水平方向上的均勻拉伸性能(圖1e)。進一步研究表明,，該合金設計方法適用于幾何復雜的部件,，其中均勻片層(α+β)組織也可以實現(xiàn)。

圖2 原料制備及表征,。

圖3 新開發(fā)的L-PBF合金的力學性能,。

圖4 新開發(fā)合金的原子探針層析(APT)表征。

綜上所述,，研究者設計和制造了一系列鈦合金,，具有優(yōu)異的拉伸性能，而沒有顯著的機械不均勻性,。研究者證明,，通過合理的合金設計，可以消除鈦合金中典型的和不期望的相不均勻性(與增材制造固有的熱循環(huán)有關),。該方法的關鍵在于合金元素在相分解中的分配,，這是金屬材料中固體相轉變的一個共同特征。

研究者期望新開發(fā)的鈦合金能成為要求鈦合金具有均勻力學性能的候選材料,。這需要對其他機械性能(如疲勞性能和抗蠕變性能)和耐腐蝕性能進行綜合評估,。此外，與以前的研究不同，以前的研究主要集中在晶粒細化(通過合金設計)和/或缺陷控制(通過加工優(yōu)化),，該工作表明,，解決相的非均勻性對于獲得所需的均勻力學性能具有同等的重要性。由于固體熱循環(huán)導致的相非均勻性,，已經(jīng)在由不同增材制造技術制備的各種金屬材料中得到了報道,，該設計策略有望幫助開發(fā)其他具有均勻力學性能的增材制造金屬合金。