《Science》：添加鉬納米粒子,，提高3D打印鋁合金性能

來源： 研之成理



第一作者：Jingqi Zhang,，Michael J. Bermingham
通訊作者：Matthew S. Dargusch
通訊單位：澳大利亞昆士蘭大學(xué)
DOI：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj0141

Science編輯Brent Grocholski評(píng)語：

激光粉末床熔融技術(shù)提供了制造定制金屬結(jié)構(gòu)的機(jī)會(huì)，但這些物體的機(jī)械性能可能會(huì)出現(xiàn)不理想的變化,。Zhang 等人通過在普通鋁合金中添加鉬納米粒子,，解決了這一問題的根源，即不需要的析出相和柱狀晶體,。納米粒子既促進(jìn)了對(duì)稱晶粒的生長(zhǎng),，又抑制了不需要的相的形成,。通過激光粉末床熔融技術(shù)制成的樣品具有更好的機(jī)械性能，顯示了這種設(shè)計(jì)策略的前景,。

研究背景

粗柱狀晶粒（Coarse columnar grains）和異質(zhì)分布相通常形成于3D打印生產(chǎn)的金屬合金中,，由于它們會(huì)帶來不均勻和低劣的機(jī)械性能，因此通常被認(rèn)為是不可取的,。

研究問題

本研究開發(fā)了一種設(shè)計(jì)策略,，可直接從3D打印中獲得一致且增強(qiáng)的性能。以 Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr 為模型合金,，本研究展示了添加鉬（Mo）納米粒子可促進(jìn)凝固過程中的晶粒細(xì)化,，并抑制固態(tài)熱循環(huán)過程中相異構(gòu)的形成。雙功能添加劑帶來的微觀結(jié)構(gòu)變化使合金具有均勻的機(jī)械性能,，并同時(shí)提高了強(qiáng)度和延展性,。本研究展示了如何通過單組分改性這種合金來解決不利的微觀結(jié)構(gòu)問題,，為直接通過3D打印獲得理想的機(jī)械特性提供了途徑,。

圖文解析


圖1| L-PBF制備Ti-5553的顯微組織和力學(xué)性能

要點(diǎn)：
1.本研究展示了一種設(shè)計(jì)策略，通過同時(shí)控制激光粉末床熔融 (L-PBF) 制造的產(chǎn)品中的晶粒結(jié)構(gòu)和組成相來應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn),。本研究選擇了 Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr （Ti-5553）可變型 β 鈦合金作為模型合金,，因?yàn)樗�顯示出粗柱狀 β 晶粒和相的異質(zhì)分布共存（圖 1A 至 C）。這導(dǎo)致 L-PBF 具有高度不均勻,、隨位置變化的拉伸特性,，正如本研究所展示的那樣（圖 1D 和 E），而且其他研究也在多種3D打印技術(shù)中證實(shí)了這一點(diǎn),。
2.本研究表明,，在 Ti-5553 粉末中單次添加（最多 5.0 wt %）β-異構(gòu)體元素以形成復(fù)合混合物，可實(shí)現(xiàn)雙重功能：（i）在3D打印過程中,，部分 Mo 顆粒部分熔化,，但核心部分存活下來，在凝固過程中形成細(xì)晶粒,，防止粗柱狀晶粒形成,。(ii) 溶解的鉬溶質(zhì)穩(wěn)定了β相，并抑制了固態(tài)熱循環(huán)下等溫ω相和α相的形成,。因此,，由于添加了雙功能鉬，微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,，不僅提高了機(jī)械性能的均勻性,，還同時(shí)增強(qiáng)了強(qiáng)度和延展性�,？傊�,，該設(shè)計(jì)策略為實(shí)現(xiàn)均勻和增強(qiáng)的機(jī)械性能提供了一條途徑,。


圖2| L-PBF制備的Ti-5553和Ti-5553+5Mo的力學(xué)性能
要點(diǎn)：
1.本研究通過機(jī)械混合的方法在 Ti-5553 中添加了 2.5 wt % 和 5.0 wt % 的 Mo（分別稱為 Ti-5553+2.5Mo 和 Ti-5553+5Mo ），并使用改進(jìn)的鈦合金 L-PBF 加工參數(shù)制備了添加和未添加 Mo 的 Ti-5553 零件,。鑒于零件的尺寸和大小會(huì)影響熱歷史,，進(jìn)而影響零件的機(jī)械性能，本研究采用了兩種類型的零件幾何形狀（狗骨形和長(zhǎng)方體形零件）來評(píng)估添加 Mo 對(duì)機(jī)械性能的影響,。為簡(jiǎn)單起見,，除非另有說明，本研究討論的是Ti-5553+5Mo 的代表性數(shù)據(jù),。本研究比較了 Ti-5553 和 Ti-5553+5Mo 試樣的拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線（圖 2A）,。Ti-5553 的拉伸性能較差，且整個(gè)部件的性能變化很大,，與此形成鮮明對(duì)比的是,，Ti-5553+5Mo 的機(jī)械性能更強(qiáng)、更均勻,。本研究還發(fā)現(xiàn),，無論零件的幾何形狀如何變化，狗骨形零件中 Ti-5553+5Mo 的機(jī)械性能都具有很高的一致性,。

2.為了評(píng)估拉伸延性的各向異性程度,，本研究將 Ti-5553+5Mo 的拉伸延性數(shù)據(jù)與 Ti-5553 和與 Ti-5553 化學(xué)成分偏差較小的類似合金（即 Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-1Zr (Ti-55531) 和Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe (Ti-55511)）的拉伸延性數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較（圖 2B）。一般來說,，延展性數(shù)據(jù)點(diǎn)與藍(lán)色虛線的大幅偏離表明拉伸延展性存在高度各向異性,。與 Ti-5553 和類似合金相比，Ti-5553+5Mo 顯然顯示出更高和更各向同性的延展性,。

3.本研究還將 Ti-5553+5Mo 的屈服強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率與 Ti-5553 （以及 Ti-55531 和 Ti55511）的屈服強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率進(jìn)行了比較（圖 2C）,。與原位制造狀態(tài)下的 Ti-5553 及其類似合金相比，Ti-5553+5Mo 的屈服強(qiáng)度相當(dāng),，但延展性明顯更高,。壓印后熱處理通常用于平衡 L-PBF 生產(chǎn)的 Ti-5553 的機(jī)械性能。雖然在某些熱處理?xiàng)l件下可以獲得較高的屈服強(qiáng)度（>1100 兆帕）,，但延展性通常會(huì)大幅下降,，失效伸長(zhǎng)率<10%，這限制了其在安全關(guān)鍵型應(yīng)用中的使用,。相比之下,，Ti-5553+5Mo 無需進(jìn)行后續(xù)的熱處理，直接從 L-PBF 中就能顯示出極佳的強(qiáng)度和延展性平衡,，這使其在強(qiáng)度-延展性圖譜中從 Ti-5553 和相關(guān)的類似合金中脫穎而出,。


圖3| Ti-5553 和 Ti-5553+5Mo 的顯微組織表征
要點(diǎn)：
1.為了揭示添加 Mo 對(duì)晶粒結(jié)構(gòu)的影響，本研究對(duì) Ti-5553 和摻 Mo 的Ti-5553 進(jìn)行了電子反向散射衍射 (EBSD) 表征（圖3）,。Ti-5553 的微觀結(jié)構(gòu)包括沿掃描方向的相對(duì)較大的晶粒（圖 3A,，插圖 1）和沿構(gòu)建方向的粗柱狀β 晶粒（圖 3A,，插圖 2），這些晶粒表現(xiàn)出強(qiáng)烈的結(jié)晶紋理,。在 Ti-5553 中添加 5.0 wt % Mo 后,，晶粒結(jié)構(gòu)和相關(guān)結(jié)晶紋理發(fā)生了顯著變化。
2.沿著 Ti-5553+5Mo 的掃描軌跡邊緣形成了大量細(xì)小的等軸晶粒（直徑約 20 μm）（圖 3B,，插圖 1）,。相比之下，Ti-5553+5Mo 的微觀結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是沿構(gòu)建方向存在細(xì)小的等軸晶粒和狹窄的柱狀晶粒（圖 3B,，插圖 2）,。仔細(xì)觀察微觀結(jié)構(gòu)可發(fā)現(xiàn)細(xì)小晶粒和柱狀晶粒呈周期性分布。在 Ti-5553 中,，高紋理柱狀晶粒橫跨多個(gè)層,，而在 Ti-5553+5Mo 中，柱狀晶粒的長(zhǎng)度尺度由熔池尺寸決定,，結(jié)晶紋理變得隨機(jī)而微弱,。
3.為了更深入地了解添加 Mo 在凝固過程中的作用，本研究將重點(diǎn)放在了 Ti-5553 和 Ti-5553+5Mo 的最頂層,。與制件下部不同的是,，由于后續(xù)層的沉積，微觀結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生重大變化,，而最頂層由于鄰近軌道的沉積，只經(jīng)歷一次或幾次熱循環(huán),。原則上,，這種熱循環(huán)比下部區(qū)域經(jīng)歷的熱循環(huán)要弱得多，因此最頂層可以為了解鉬在凝固過程中的作用提供一個(gè)窗口,。本研究分別展示了靠近 Ti-5553 頂面（圖 3C）和Ti-5553+5Mo 頂面（圖 3D）的微觀結(jié)構(gòu)的 EBSD逆極圖（IPF）和核平均錯(cuò)向圖（KAM）,。Ti-5553 的上層呈現(xiàn)粗柱狀晶粒（圖 3C），而 Ti-5553+5Mo 則以細(xì)小的等軸晶粒為主（圖 3D）,。通過掃描電子顯微鏡（SEM）--后向散射電子（BSE）對(duì) Ti-5553+5Mo 的進(jìn)一步表征顯示,，在等軸樹枝狀晶粒的中心有一些顆粒（圖 3E），這是晶粒種子成核顆粒的典型特征,。此類顆粒富含鉬,，SEM-能散射 X 射線光譜（EDX）圖（圖 3F）也證明了這一點(diǎn)。


圖4| Mo 顆粒與鈦基體界面的 TEM 表征和 DICTRA 模擬
要點(diǎn)：
1.為了進(jìn)一步探究這些富鉬顆粒,，本研究對(duì)富鉬顆粒和鈦基體之間的界面進(jìn)行了SEM-EDX 和透射電子顯微鏡 (TEM) -EDX 線掃描（圖 4A）,。利用 SEM-EDX 獲得的濃度分布圖顯示，從鉬顆粒到鈦基體之間存在著漸變,，TEM-EDX 線掃描也證實(shí)了這一點(diǎn)（圖 4B）,。此外,，高分辨率的 TEM 成像顯示，富鉬顆粒與鈦基體完全吻合,，具有連貫的界面（圖 4C）,。
2.本研究的 SEM 和 TEM 觀察結(jié)果表明，橫跨鉬粒子和鈦基體的過渡區(qū)域在晶粒細(xì)化過程中起著重要作用,。由于這些表征是在 L-PBF 過程中經(jīng)歷了凝固和固態(tài)轉(zhuǎn)變的樣品上進(jìn)行的,，因此目前還不清楚界面上的過渡區(qū)是在熔池中形成的，還是凝固后固態(tài)擴(kuò)散的結(jié)果,。遺憾的是,，目前的實(shí)驗(yàn)技術(shù)還無法對(duì)這一過程進(jìn)行描述。為了幫助理解凝固過程中 Mo 粒子的溶解,，本研究使用 DICTRA（擴(kuò)散控制轉(zhuǎn)變）進(jìn)行了擴(kuò)散模擬（圖 4D）,。


圖5|Ti-5553 和 Mo 摻雜 Ti-5553 的相分析
要點(diǎn)：
1.除了細(xì)化晶粒結(jié)構(gòu)外，鉬的添加還改變了固態(tài)微觀結(jié)構(gòu)中的組成相,。雖然一些較大的鉬粉末明顯存活下來,，形成了等軸晶粒，但添加的許多較小顆粒很可能完全溶解在熔池中,，因此增加了 Ti-5553 合金中的總體鉬溶質(zhì)濃度,。這不可避免地會(huì)影響相的穩(wěn)定性和微觀結(jié)構(gòu)的演變。本研究展示了沿 Ti-5553 零件構(gòu)建方向的相分布（圖 5A 和 C）,，正如預(yù)期的那樣,，α 相的分布從零件底部到頂部有明顯的變化。X 射線衍射 (XRD) 進(jìn)一步證實(shí)了α 相的存在（圖 5B）,。
2.圖 1C 中的 TEM 選區(qū)電子衍射（SAED）圖有一些不連續(xù)的衍射點(diǎn),，這是等溫 ω 相的特征。這一觀察結(jié)果與 Ti-5553 在 523 至 773 K 溫度范圍內(nèi)進(jìn)行熱處理時(shí)等溫 ω 相與 α 相共存的現(xiàn)象一致,。本研究的差示掃描量熱儀（DSC）測(cè)量結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了這些相在此溫度范圍內(nèi)的形成,。鉬的加入往往會(huì)穩(wěn)定 β 相，并抑制 α 相的析出,。本研究觀察到,，當(dāng) Mo 的添加量達(dá)到 5.0 wt % 時(shí)，XRD 圖譜中α 相的強(qiáng)度會(huì)降低（圖 5B）,。雖然在 Ti-5553+5Mo中可能存在其他相,，但本研究無法在 XRD 的靈敏度范圍內(nèi)檢測(cè)到這些相，如果確實(shí)存在其他相,，它們也不會(huì)對(duì)機(jī)械性能或均勻性產(chǎn)生明顯影響,。與 Ti-5553 相反，Ti-5553+5Mo 沿構(gòu)建方向顯示出凝固蜂窩狀結(jié)構(gòu)（圖 5D 和 E）,，沒有任何針狀 α 相的跡象,。
3.晶胞結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步 SEM-EDX 顯示,，晶胞結(jié)構(gòu)的邊界（暗區(qū)）富含鈦溶質(zhì)（圖 5E）。當(dāng) Ti 與 Ta,、W,、Nb 和 Mo 等 β-異構(gòu)元素進(jìn)行合金化時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象,，因?yàn)檫@些元素的分配系數(shù)大于統(tǒng)一值,。在通過L-PBF 生產(chǎn)的高溶質(zhì)含量合金（例如 316L 不銹鋼、鎳基超合金和 Ti-42Nb 合金）中,，也有形成蜂窩狀結(jié)構(gòu)的報(bào)道,，這通常與凝固過程中溶質(zhì)的微聚集有關(guān)。

總結(jié)展望

本研究關(guān)注了如何同時(shí)解決 L-PBF 生產(chǎn)的 Ti-5553 合金中柱狀晶粒和異質(zhì)分布相的形成問題,。本研究表明,，在 Ti-5553 中添加高達(dá) 5.0 wt % 的 Mo 會(huì)導(dǎo)致大量的 CET 和晶粒細(xì)化，本研究將其歸因于部分未熔化 Mo 顆粒上的異質(zhì)成核,，而溶解的 Mo 溶質(zhì)會(huì)形成一個(gè)過冷區(qū),，從而提高晶粒細(xì)化的效率。此外,，溶解的鉬溶質(zhì)通過穩(wěn)定 β 相消除了 Ti-5553 中的相異質(zhì)性,。與 Ti-5553 相比，Ti-5553+5Mo 具有更高的強(qiáng)度,、延展性和更均勻的拉伸性能,。從更廣泛的意義上講，本研究預(yù)計(jì)該設(shè)計(jì)策略的適用范圍可能會(huì)超出本文所考慮的鈦合金,，并可指導(dǎo)其他合金的設(shè)計(jì),，因?yàn)橹鶢罹Я：彤愘|(zhì)分布相在通過3D打印技術(shù)生產(chǎn)的各種金屬合金中都經(jīng)常出現(xiàn)。