Nature Communications：用于3D打印的包晶鈦合金

來源：金屬增材制造

金屬基增材制造（AM）允許逐層制造近凈形金屬組件，其幾何復(fù)雜度遠(yuǎn)超傳統(tǒng)制造。通過AM生產(chǎn)鈦基組件的成本節(jié)省估計(jì)高達(dá)50%，歸因于機(jī)加工中材料的嚴(yán)重?fù)p失。目前，用于AM的鈦合金大多基于傳統(tǒng)成分，這些成分未考慮AM過程中定向熱梯度引起的外延生長(zhǎng)，導(dǎo)致嚴(yán)重織構(gòu)化和各向異性結(jié)構(gòu)性能。本研究揭示了包晶和包析反應(yīng)附近亞穩(wěn)態(tài)的新凝固與冷卻路徑：α相未繼承母β相的常見晶體學(xué)取向關(guān)系。伴隨各向異性降低和等軸顯微結(jié)構(gòu)的形成，這代表了面向下一代AM鈦合金的進(jìn)展。

本文的創(chuàng)新方法及解決的科學(xué)問題
通過添加稀土元素La誘導(dǎo)包晶反應(yīng)（L₁ + β → α），開發(fā)了α相形成的新路徑，解決了AM鈦合金中由外延生長(zhǎng)導(dǎo)致的柱狀β晶粒和強(qiáng)<100>取向問題，為降低織構(gòu)和實(shí)現(xiàn)等軸顯微結(jié)構(gòu)提供了策略。

圖文導(dǎo)讀

圖1：Ti-La體系的增材制造。選擇Ti-2wt.% La成分的方法通過改變常規(guī)β→α相變路徑，探索鈦合金中α相形成的非典型路徑。a：Ti-La相圖的局部（基于29,50改編），指示用于選擇性激光熔化的成分。b, c：分別為參考材料商業(yè)純鈦（CP Ti）和Ti-2wt.% La合金（Ti-2La）的制造態(tài)顯微結(jié)構(gòu)概覽（比例尺：100 μm）。

圖2：Ti-2wt.% La（Ti-2La）合金在選擇性激光熔化（SLM）過程中的織構(gòu)調(diào)控。向商業(yè)純鈦（CP Ti）中添加2wt.% La導(dǎo)致α相沿構(gòu)建方向的優(yōu)先取向減弱，如a,b所示：分別基于1x1x5 mm³測(cè)量體積重建的{002}α歸一化極圖。c：CP Ti的馬氏體顯微結(jié)構(gòu)由α'板組成，根據(jù)Burgers取向關(guān)系（OR）在母β晶粒內(nèi)延伸。d,e：Ti-2La中形成的具有多取向的小等軸α晶粒排列導(dǎo)致織構(gòu)減弱（如圈出晶粒所示）。f：通過緩慢冷卻（20°C min⁻¹從950°C經(jīng)包晶線降至室溫）對(duì)SLM制造態(tài)進(jìn)行后熱處理，促使新α晶粒形成和廣泛球化，獲得類再結(jié)晶顯微結(jié)構(gòu)。e,f中的黑線表示高角度晶界（取向差>10°）。c,d及其放大區(qū)域（底部）比例尺分別為100 μm和50 μm；e和f中為50 μm。

圖3：Ti-2wt.% La（Ti-2La）合金在選擇性激光熔化（SLM）后的晶粒細(xì)化。a,b：通過分別以5°C min⁻¹和100°C min⁻¹速率從950°C（L₁ + β場(chǎng)）冷卻至室溫對(duì)SLM制造態(tài)進(jìn)行后熱處理，隨冷卻速率增加形成更細(xì)小的新α晶粒和廣泛球化。比例尺：50 μm。c,d：分別對(duì)應(yīng)a,b顯微結(jié)構(gòu)的1x1x5 mm³測(cè)量體積的德拜-謝樂環(huán)代表性四分之一。c中斑點(diǎn)環(huán)與d中連續(xù){hkl}環(huán)對(duì)比，反映后者合金塊體中顯著更小的晶粒尺寸。a,b中黑線表示高角度晶界（取向差>10°）。

圖4：Ti-2wt.% La合金的相變動(dòng)力學(xué)。α相形成始于L₁ + β場(chǎng)，隨后在冷卻過程中從β相轉(zhuǎn)變。a：彩色編碼2D圖，顯示2.25-4.55° 2θ范圍內(nèi)β、α、La-bcc和La-fcc的{hkl}反射演變，右側(cè)圖表為Rietveld分析得到的晶相體積分?jǐn)?shù)隨連續(xù)冷卻（950°C至400°C，20°C min⁻¹）的變化。溫度<400°C時(shí)無變化。b：彩色編碼2D圖，顯示950-850°C連續(xù)冷卻期間{002}α布拉格反射在方位角（ψ）0-180°范圍內(nèi)的演變。c：原始衍射圖像揭示在905°C和875°C，α相與β和L₁相共存。d：從950°C淬火至室溫的顯微結(jié)構(gòu)中，箭頭所指α顆粒在β/L₁界面形核（右側(cè)比例尺5 μm；左側(cè)放大圖2 μm）。e：在850°Cβ→α相變結(jié)束時(shí)，基于1x1x5 mm³測(cè)量體積重建的{110}β和{002}α歸一化極圖，表明α相未繼承母β相織構(gòu)。

圖5：降低鈦合金增材制造中的凝固織構(gòu)。通過添加包晶形成溶質(zhì)La，形成具有多取向的細(xì)α顆粒。a,b：分別為Ti-3wt.% Fe（Ti-3Fe）和Ti-1.4Fe-1La（wt.%）的選擇性激光熔化（SLM）過程中α相變（比例尺：10 μm）。前者α相直接從母β晶粒形成：典型β→α相變路徑導(dǎo)致層狀α+β顯微結(jié)構(gòu)。后者存在額外α形成路徑，與母β相取向關(guān)系無關(guān)。c,d：分別反映Ti-3Fe和Ti-1.4Fe-1La的{002}α重建極圖。e：SLM Ti-1.4Fe-1La中，直徑<1 μm的多取向α顆粒在α層板邊界形成（黑線表示高角度晶界，取向差>10°；比例尺：5 μm）。f,g：分別通過20°C min⁻¹緩慢冷卻Ti-3Fe和Ti-1.4Fe-1La從950°C至室溫的后熱處理，獲得典型層狀α+β顯微結(jié)構(gòu)和廣泛α球化。f,g比例尺為250 μm；g插圖為30 μm。h：熱處理后Ti-1.4Fe-1La合金中α與β相晶格相關(guān)邊界的雙峰分布，反映兩種α形成路徑。

表1：Ti-2wt.% La合金（Ti-2La）平衡相圖的平衡不變反應(yīng)（基于29,50）與通過原位高能同步輻射X射線衍射（HEXRD）在20°C min⁻¹冷卻（從950°C L₁ + β場(chǎng)）識(shí)別的轉(zhuǎn)變對(duì)比。

結(jié)論
本研究結(jié)果揭示了通過添加稀土元素La在鈦合金中實(shí)現(xiàn)α相形成的替代路徑。該路徑在SLM制造及后熱處理Ti-2wt.% La和Ti-1.4Fe-1La（wt.%）體系中得到驗(yàn)證。α晶粒在L₁ + β場(chǎng)中通過包晶反應(yīng)L₁ + β → α形核，隨后從β相轉(zhuǎn)變（β → α）。所得α相并非總與母β相取向相關(guān)，因此可顯著降低織構(gòu)并獲得等軸顯微結(jié)構(gòu)。這一轉(zhuǎn)變路徑在鈦合金中屬前所未有的探索，為避免AM鈦合金中的固有問題（即外延生長(zhǎng)導(dǎo)致沿構(gòu)建方向的強(qiáng)<100>β取向粗大柱狀晶）提供了新方案。添加包晶形成元素以降低制造態(tài)及后處理織構(gòu)的方法，可能對(duì)商業(yè)鈦成分產(chǎn)生積極影響。

文獻(xiàn)鏈接
Barriobero-Vila, P., Gussone, J., Stark, A., Schell, N., Haubrich, J., & Requena, G. (2018). Peritectic titanium alloys for 3D printing. Nature Communications, 9(1), 3429.

https://doi.org/10.1038/s41467-018-05819-9