大連理工大學(xué)MC : 激光增材制造Ti6Al4V-Inconel 718梯度材料的界面金屬間相變機(jī)制

來源：先進(jìn)焊接技術(shù)

大連理工大學(xué)高性能精密制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在《Materials Characterization》期刊發(fā)表了一篇名為“Intermetallic phases transition mechanism of the interface of Ti6Al4V-Inconel718 graded material by laser additive manufacturing-激光增材制造Ti6Al4V-Inconel 718梯度材料的界面金屬間相變機(jī)制”的論文。本研究采用激光增材制造技術(shù)制備Ti6Al4V-Inconel 718梯度材料，根據(jù)金屬間化合物相的類型對兩種材料梯度界面進(jìn)行劃分,，分析界面處不同區(qū)域金屬間化合物相的分布，揭示了合金中主要元素的轉(zhuǎn)變和各金屬間化合物相的形成路徑、分布和形貌,，為調(diào)控梯度材料組織結(jié)構(gòu)和中間合金相提供理論指導(dǎo)。研究得到了中央大學(xué)基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金和國家自然科學(xué)基金的支持,。

功能梯度材料是將不同材料的特性組合到同一個(gè)組件中,，使組件在不同位置具有不同的特性或功能。例如,，高超聲速飛行器的姿態(tài)控制柵格翼,，要求前段迎風(fēng)面耐高溫，中,、后段比強(qiáng)度高,、重量輕。均質(zhì)材料難以達(dá)到強(qiáng)度高,、質(zhì)量輕等復(fù)雜使用要求,。激光增材制造技術(shù)具有較高的制造柔性，在部件可以制備過程中任意改變材料的種類和比例,，從而方便地實(shí)現(xiàn)梯度材料的制備,。同時(shí)，由于激光增材制造在部件制造方面提供了高度的靈活性,，因此可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜部件的集成制造,。該技術(shù)完全可以滿足功能梯度復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造需求。鈦合金-高溫合金梯度材料結(jié)合了鈦合金的高比強(qiáng)度和高溫合金的耐高溫性能,，完全可以滿足姿態(tài)控制柵格翼等關(guān)鍵部件的復(fù)雜服役要求,。

由于Ti6Al4V-Inconel 718梯度材料在連接時(shí)產(chǎn)生的Ti2Ni和TiNi等脆性金屬間化合物，會(huì)導(dǎo)致界面顯微硬度提高,，界面處發(fā)生開裂,，限制了其應(yīng)用。針對這一問題，學(xué)者們通過添加過渡層,、優(yōu)化添加劑工藝參數(shù),、熱處理等方式減少脆性相的產(chǎn)生，抑制裂紋的產(chǎn)生,。目前,，對Ti6Al4V-Inconel 718梯度界面金屬間化合物相的類型、形成及轉(zhuǎn)變機(jī)制的研究還不夠深入,。兩種材料界面處金屬間相的轉(zhuǎn)變和分布不清楚,。因此，本文采用激光增材制造技術(shù)制備了Ti6Al4V-Inconel 718梯度材料,，通過熱力學(xué)計(jì)算預(yù)測了界面各區(qū)域金屬間相的種類和含量的變化規(guī)律,，分析了Ti6Al4V-Inconel 718梯度界面不同區(qū)域金屬間化合物相的分布，揭示了合金中主要元素Ti,、Ni的轉(zhuǎn)變及金屬間化合物相的形成路徑,，對梯度材料中金屬間相的調(diào)控提供理論依據(jù)。

主要試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：

圖 1試樣顯微組織 （a）試樣橫截面,；（b）Ti6Al4V區(qū)的顯微組織,；（c）Inconel 718的顯微組織；（d）-（e）試樣過渡區(qū)Ⅰ區(qū)的顯微組織,；（f）-（g）試樣過渡區(qū)Ⅱ區(qū)顯微組織,；

（h）-（i）樣品過渡區(qū)Ⅲ區(qū)顯微組織

圖 2 試樣界面相XRD分析結(jié)果

圖 3 過渡界面II區(qū)的TEM分析結(jié)果 （a）II區(qū)的微觀結(jié)構(gòu);（b-c）相應(yīng)位置的選區(qū)電子衍射;（d-f）微觀結(jié)構(gòu)中紫框區(qū)的元素分布

圖 4試樣Ⅲ區(qū)元素分布結(jié)果

圖 5過渡界面Ⅲ區(qū)的TEM分析結(jié)果 （a-b）Ⅲ區(qū)不同位置的顯微組織和元素分析結(jié)果；（c-f）相應(yīng)位置的選區(qū)電子衍射

圖 6試樣過渡界面相分布示意圖

圖 7 不同元素含量的Ti6Al4V/Inconel 718復(fù)合材料相含量計(jì)算結(jié)果

圖 8 Ti6Al4V和試樣I區(qū)的顯微組織分析 （a）相分布圖,；（b）取向圖,；（c）反極圖；（d）KAM圖

主要結(jié)論：
在Marangoni效應(yīng)和材料密度差的作用下,，Inconel 718和Ti6Al4V在界面處相互交錯(cuò),，梯度界面不均勻。Ti6Al4V中含有α-Ti和β-Ti相,，在梯度界面附近呈細(xì)片狀,，并從Ti6Al4V向過渡界面延伸。Inconel 718含有γ和Laves相,。Laves相的分布取決于基體γ的枝晶形態(tài),。Inconel 718合金的相變順序一般為L → L + γ → L + Laves + γ。首先,，形成γ相,。隨著γ枝晶的增多，液相中Mo,、Nb,、Ti元素的濃度逐漸增大,。當(dāng)達(dá)到一定濃度時(shí)，發(fā)生L → Laves + γ反應(yīng),。

根據(jù)金屬間化合物相類型的不同,，將梯度界面劃分為三個(gè)區(qū)域。隨著Ti元素的減少和Ni元素的增加,，Ti2Ni,、TiNi和Ni3Ti依次形成。Ⅰ區(qū)的主要相為片狀Ti2Ni,，含有少量β-Ti和α-Ti,。主相由液相直接形成或由L → β-Ti + Ti2Ni共晶反應(yīng)形成。與Ti6Al4V相比,，區(qū)域I的織構(gòu)強(qiáng)度明顯減弱,，晶粒各向異性增強(qiáng)。同時(shí),，由于不同相之間的韌性差異和熱應(yīng)力的存在,，導(dǎo)致了形變失配，使得Ti6Al4V區(qū)與Ⅰ區(qū)的界面處以及部分Ti2Ni相中的KAM值較高,。

Ⅱ區(qū)相主要由TiNi、AlNi和少量Ti2Ni組成,。TiNi和AlNi是由液相直接生成的,，而Ti2Ni主要是通過L + TiNi → Ti2Ni的包晶反應(yīng)生成。Ⅲ區(qū)主要由Ni3Ti,、Fe2Ti相和少量FeTi,、γ、FeCr相所組成,。首先在液相中形成Ni3Ti和Fe2Ti,，然后通過包晶反應(yīng)L + Fe2Ti → FeTi和共晶反應(yīng)L → Ni3Ti + γ形成少量FeTi和γ相。此外,，Cr元素在局部區(qū)域聚集,，形成少量的FeCr相。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matchar.2024.114183