鈦銅合金增材制造的微觀奧秘：共析體形態(tài)調控助力強韌性能提升

來源：特種鑄造

在鈦合金中添加銅（Cu）可以增強鈦基體的強度并消除激光粉末床熔融（LPBF）過程中的柱狀晶粒，但會形成脆性的共析體Ti₂Cu片層，嚴重降低延展性。文中揭示了共析體形態(tài)對銅含量和LPBF參數(shù)的依賴性，并闡明變形行為與共析體形態(tài)之間的關系。在優(yōu)化的激光能量密度下，制備出了具有優(yōu)異力學性能的Ti-5.0Cu合金。

將銅（Cu）引入增材制造的鈦（Ti）合金中，不僅可以增強鈦基體的強度，還可以細化粗大的柱狀晶粒，從而降低力學性能的各向異性。因此，Ti-Cu合金在過去幾年中成為最受歡迎的可打印鈦合金體系之一。然而，添加銅會不可避免地誘導脆性共析體Ti₂Cu片層的形成，導致延展性顯著下降。因此，最小化共析體對延展性的不利影響已成為確保Ti-Cu合金實際應用的關鍵問題。

針對共析體形態(tài)從片層狀向顆粒狀轉變的后熱處理已被證明是減輕其不利影響的有效策略。基于此，中科院的研究團隊聯(lián)合美國德克薩斯大學、大阪大學開發(fā)了一種具有高成分精度和均勻性的銅包覆鈦粉末，以探索LPBF Ti-Cu合金在非平衡凝固條件下的特定共析體轉變行為，成功實現(xiàn)了強韌兼顧的Ti-Cu合金增材制造。相關工作以題為“Achieving strong and ductile as-printed Ti-Cu alloys via tailoring eutectoid morphology”發(fā)表于期刊《Materials Research Letters》。

研究表明，銅含量的增加促進了柱狀晶向等軸晶的轉變，但也使共析體形態(tài)從顆粒狀變?yōu)槠瑢訝睢９参鲶w片層嚴重阻礙了α-Ti中位錯的滑移，導致從韌性到脆性的轉變。此外，通過降低激光能量密度，可以將高銅含量Ti合金的共析體從珠光體轉變?yōu)樨愂象w。在較優(yōu)激光能量密度（88.9 J/mm³）下制備的Ti-5.0Cu具有優(yōu)選的等軸原始β晶粒和不連續(xù)的共析體Ti₂Cu顆粒，表現(xiàn)出優(yōu)于已報道打印態(tài)Ti-Cu合金的力學性能，其屈服強度、抗拉強度和伸長率分別為1 051 MPa 、1 198 MPa和 6.5%。