研究人員開發(fā)專用于DED的貝氏體鈦合金，通過多種強化機制實現(xiàn)高強度性能

導(dǎo)讀：如今，增材制造領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的鈦合金材料是 Ti-6Al-4V,，這種合金最初是為鍛造制造而開發(fā)的。雖然這種材料已成功用于增材制造工藝,，但在機械性能方面仍有改進(jìn)空間,。具體來說,，3D 打印的 Ti-6Al-4V 已被證明具有柱狀前β晶粒，這可能導(dǎo)致各向異性,。

2024年8月17日，南極熊獲悉,，為了解決這一現(xiàn)象,，來自澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)、北德克薩斯大學(xué)和捷克 Tescan 集團的研究人員開發(fā)了用于增材制造的新型貝氏體三元合金,，由鈦,、銅和鐵 (Ti-Cu-Fe) 組成。這項工作展示了一種使用低成本元素粉末通過增材制造生產(chǎn)具有獨特和優(yōu)異性能的結(jié)構(gòu)部件的可行方法,。

相關(guān)研究以題為“Novel bainitic Ti alloys designedfor additive manufacturing”論文發(fā)表于《材料與設(shè)計》期刊上,。

相關(guān)論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matdes.2024.113176

圖 1.a ) ti-xcu-4fe 共析溫度附近的等值線，x 從 0到 8 wt%,。b) 合金設(shè)計策略圖,，顯示了共析成分和 Cu 和 Fe 成分從 0 → 8 %的 Q 值。

表 1.標(biāo)稱Ti-Cu-Fe 合金的 ICP-MS 分析和針對每種考慮成分計算出的 Q 值,。

圖 2.Ti -2Cu-2Fe,、Ti-2Cu-4Fe、Ti-4Cu-4Fe和 Ti-4Cu-6Fe 進(jìn)行母體晶粒分析后的 EBSD 圖,。IPF 著色與 Z0 方向平行（頁面外）,。

圖 3.a ) 和 b) Ti-2Cu-4Fe，紅色箭頭表示 Ti2Cu顆粒,，c) 和 d) Ti-4Cu-4Fe,，e) 和 f) Ti-6Cu-4Fe，g)和 h) Ti-4Cu-6Fe,。紅色框表示相鄰圖像中放大的區(qū)域,。最暗的顆粒/板條為 α 相，灰色基質(zhì)為 β 相,，最亮的顆粒為 Ti2Cu 金屬間化合物,。（有關(guān)此圖例中顏色引用的解釋，讀者請參閱本文的網(wǎng)絡(luò)版本,。）

圖 4.從Pandat（PanTi v2022）獲得的室溫下不包括 TiFe 的平衡相分?jǐn)?shù),，并通過 SEM 成像計算出四種顯示等軸微觀結(jié)構(gòu)的成分：Ti-4Cu-4Fe、Ti-6Cu-4Fe,、Ti-4Cu-6Fe 和 Ti-6Cu-6Fe,。

圖 5.TEM圖像和高分辨率 EDS 通過 TEM 顯示了 α 相和殘留 β 相交叉區(qū)域內(nèi)不同相的元素濃度以及相間形成的金屬間化合物。區(qū)域 i.,、ii. 和 iii. 表示在樣品內(nèi)采集光譜的區(qū)域,，并以

表2.顯示不同相的元素組成（±σ）的光譜分析,。

圖 6.a ) Ti-4Cu-4Fe 的明場圖像，紅色箭頭表示 b 中分析的 Ti 2 Cu 粒子,，該粒子形成于 α 板條和殘留 β 相的交匯處,。b) 從 a 中的粒子收集的 SAED 衍射圖案，確認(rèn) Ti 2 Cu 沿 0 0 1 區(qū)域軸取向,。（有關(guān)此圖例中顏色引用的解釋,，請讀者參閱本文的網(wǎng)絡(luò)版。）

圖 7,。a ) Ti4Cu4Fe 的明場莖圖像,。b) 相位識別疊加在相位可靠性圖上 c) α 相晶體取向圖。d) β 相晶體取向圖,。e) Ti 2 Cu 晶體取向圖（IPF 著色平行于頁面外的 Z 方向）,。f) 和 g) 極圖、平面和方向,，平行平面和方向?qū)Ψ謩e用紅色圓圈表示,。（有關(guān)此圖例中顏色引用的解釋，讀者請參閱本文的網(wǎng)絡(luò)版本,。）

圖 8.Ti -4Cu-4Fe,、Ti-4Cu-6Fe、Ti-6Cu-4Fe和 Ti6Cu-6Fe 成分的代表性拉伸曲線,。平均拉伸應(yīng)力和斷裂伸長率以點表示,，誤差線表示標(biāo)準(zhǔn)誤差。

圖 9.斷口的二次電子圖像,。a) Ti-4Cu-4Fe,，b)Ti-4Cu-6Fe，c) Ti-6Cu-4Fe 和 d)Ti6-Cu-6Fe,。

圖 10.晶粒尺寸和面積加權(quán)長寬比倒數(shù)與 Q 值倒數(shù)的關(guān)系,。Q 值增加會導(dǎo)致等軸微觀結(jié)構(gòu)。等軸晶粒具有平均長寬比倒數(shù)0.5,。虛線表示 Ti-4Cu-4Fe 成分,，其中形成等軸微結(jié)構(gòu)。Ti-2Cu-2Fe 晶粒尺寸通過面積加權(quán)晶粒尺寸估算,，因為這更能說明大柱狀晶粒,。誤差線表示標(biāo)準(zhǔn)誤差。

表 3.Pandat CALPHAD 軟件預(yù)測的凝固范圍,。

圖 11. Ti -4Cu-4Fe,、Ti-6Cu-4Fe 和 Ti-4Cu-6Fe 與制造的 DED 樣品相比，機械性能有所提高。H 和 V 項標(biāo)明水平和垂直平面上的拉力筋制造方向,，以及顯示了 Ti-6Al-4V 所制造的固有各向異性,。虛線連接 Ti-6.5Cu 和 Ti-8.5Cu 二元合金。

圖12.各種模型化強化機制的貢獻(xiàn)與實驗屈服強度的比較：強化機制包括：純鈦的滑移激活應(yīng)力,、固溶強化,、與α相的Hall-Petch關(guān)系、析出強化和森林位錯強化,。

貝氏體合金在鋼中最為常見,，其特點是具有兩相微觀結(jié)構(gòu)。研究團隊希望通過改變合金化學(xué)成分來解決鈦的原位β晶粒問題,，因為這種改變可以顯著影響凝固過程中的“組織過冷”。該團隊在增材制造 Ti-Cu 合金成功的基礎(chǔ)上,，探索了為增材制造而開發(fā)的 Ti-Cu-Fe 合金的微觀結(jié)構(gòu)控制,。之所以選擇鐵，是因為它能夠（類似于銅）細(xì)化原βTi晶粒,。

在這項研究中,，研究人員利用激光定向能量沉積（DED）成功 3D 打印了鈦合金。正如他們在研究中所描述的那樣,，他們將三種 Ti-Cu-Fe 合金（Ti-4Cu-4Fe,、Ti-4Cu-6Fe 和 Ti-6Cu-4Fe）的機械性能與二元 Ti-Cu 合金和 Ti-6Al-4V 進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)三元合金的微觀結(jié)構(gòu)有顯著改善,。最終,，該研究項目展示了使用低成本元素粉末和DED 3D 打印堅固鈦合金結(jié)構(gòu)的可能性。

這項研究總結(jié)道：“這項研究證明了貝氏體鈦合金通過其獨特的微觀結(jié)構(gòu)具有增強機械性能的潛力,。通過晶界工程和通過引入更多成核點來細(xì)化晶粒,，這種合金系統(tǒng)具有更大的潛力來進(jìn)一步改善機械性能�,！�