SLM钛合金中的悖论:完全马氏体的高延展性

来源：高温合金精密成型研究中心

SLM态Ti-6Al-4V合金因其制造过程中的高冷却速率（~106k/s）产生了大量的α’相，且材料的延展性较低（<8%），许多研究将延展性低归因于α’相的固有脆性，这一说法并没有被确切证明。经过实验发现在强α/β界面处，缺乏β相会导致应变不相容，只留下hcp相之间的界面(即α/α，α’/α’，α/α’)能够更均匀地分布应变，使材料有更好的延展性。本文将报道完全马氏体SLM态Ti-6Al-4V合金，并最终实现了14–15%的拉伸伸长率和1150MPa的屈服强度的结合，可与锻造态或低温时效后的双相Ti-6Al-4V相比。


实验设计
采用交叉扫描策略，通过改变脉冲激光相邻激光点之间的点距离（PD）控制扫描速度，加工气体雾化Ti-6Al-4V粉末成型，分别编号为PD-45、PD-55，对样品进行拉伸实验，重复三次测试其力学性能，通过光学显微镜、电子显微镜和透射电子显微镜进行显微组织结构表征，并且使用XRD衍射仪测试其相组成。

图文导读

SLM成形Ti-6Al-4V合金微观组织结构

(a) PD-55 OM; (b) PD-45 OM；(c) PD-55 SEM; (d) PD-45 SEM; (e) XRD; PD-45；图(d)A-A截面TEM图像：(f) SAEDP图像； (g) DF标定.
由图(a)、(b)OM图所示，两组样品中板条α’相与堆积方向成45°角，β晶粒发生外延生长呈柱状，PD-45中，板条α’相的平均长度从80μm减少了近40%，而PD-55，板条α’相的平均长度从50μm减少了近40%；由图(c)、(d)所示，板条α’相间出现了更细小的α’’；图(e)XRD图谱中两组样品并没有β峰出现，但是在PD-45TEM图中，观察到在板条α’相间由少量β相生成。

(a) 两组样品应力应变曲线；(b)PD-55拉伸实验后样品示意图；(c)PD-55断口上的韧窝;(d) PD-45的平坦断裂面;(e) PD-45脆性断裂和韧性断裂示意图

由图二(a)、(b)所示，两组样品的屈服强度均达到1150MPa，断裂强度达到5-6，延展性达到14-15%，图(c)进一步验证了PD-55良好的延展性，图(d)、(e)表明了PD-45断裂表面是平坦的，可以观察到同时存在脆性断裂和韧性断裂。

PD-55 SEM图像

(a) 原始态图像；(b) 拉伸试验后颈缩区图像；(c) 颈缩区明场像 (d) 区域D进一步放大(e) SEDP图像.
由图三(a)、(b)所示，PD-55组织中针状α’相明显变形和细化，以至于其针状形态变得难以辨认；图(c)、(d) TEM图像证实了这一点；由图(e)所示呈现α’环，且呈随机取向。

PD-45拉伸后断裂剖面示意图

(a) 与拉伸方向成40°角的宏观切面 (b) (a)中圆圈区域的进一步放大;. (c) 插图中标记的BB剖面的TEM; (d)明场像; (e) d中区域放大; (f) SAEDP图像
由图(a)所示，PD-45断裂面(虚线)与拉伸方向成40°角，图(b)中的α’相平行分布，从图(c) 沿BB截面凹陷区域的透射电镜显示严重变形的α’相存在着位错胞，图(f)也显示了α’环呈随机取向。


结论
1. SLM态Ti-6Al-4V合金完全马氏体可以实现1150MPa屈服强度和14-15%延伸率的优异结合，与铸造态Ti-6Al-4V合金性能媲美。
2. 优化SLM工艺参数得到完全马氏体可以避免α’/β界面应力集中和裂纹扩展。
3. 塑性变形通过位错滑移进行，α’环呈随机取向。