华中科大增材顶刊《AM》：增材制造钛合金的微观组织和力学性能！

来源：材料学网

导读：本文通过激光粉末床融合 (LPBF) 成功制造了近α Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V 合金并进行了后热处理。对不同样品的微观结构和机械性能进行了比较研究，以揭示 LPBF 工艺参数和后热处理的影响。用于制造相对密度 >99.9% 样品的最佳 LPBF 工艺窗口位于 125-167J/mm 3的体积能量密度 (VED) 范围内. LPBF 中极快的冷却速度诱导了完整的马氏体 α' 结构。在样品中发现了以低角度晶界 (LAGB)、缠结的高角度晶界 (HAGB) 和几个互变体为特征的亚结构。这导致最佳竣工样品的机械性能： 极限抗拉强度(UTS) 为 1172-1227MPa，伸长率为7.9-8.8%，显微硬度为~425 Hv。该研究结果可用于指导通过后热处理调整LPBF处理的Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V合金的显微组织，以获得良好的拉伸性能组合。

Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V（TA15）作为一种临界α型钛（Ti）合金，具有良好的机械性能、焊接性和高温操作能力，然而，传统方法仍然难以制造复杂的 Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V 结构。各种增材制造 (AM) 技术，包括定向能量沉积 (DED)和粉末床融合 (PBF), 已被证明可以成功制造 Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V 零件。与其他公司相比，关于激光粉末床融合（LPBF）加工的 Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V 的研究相对较少。

LPBF 是一种很有前景的 AM技术，它利用聚焦的激光束在计算机辅助设计 (CAD) 模型的引导下选择性地逐层熔化金属粉末，具有高精度、全密度以及加工过程中材料利用率高。因此，使用 LPBF 制造 Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V 合金部件具有扩展其在航空航天领域应用的潜力。蔡等人首次报道了用平台加热的 LPBF 加工 Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V。展示了激光功率范围为 230~380  W下的最佳工艺窗口。LPBF 加工钛合金的典型冷却速率和温度梯度约为 10^6 K/s 和 10^5-6  K/m，使得非平衡相保持在室温。因此，LPBF 处理的 Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V 的显微组织主要由 αʹ马氏体组成，这与 LPBF 处理的 α+β 型Ti-6Al-4V 非常相似. 不同之处在于由于Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V 是 α 型，LPBF 工艺参数的变化通常不会改变相组成。然而，如 α 型钛合金所报道，不适当的高能量输入会导致大量的 α 块生成，这对机械性能产生不利影响。

LPBF Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V 扩展应用的主要障碍是由于马氏体固有的脆性和低延展性而导致的不理想的综合力学性能。一般来说，后热处理对于提高增材制造钛合金的延展性是适用和有效的。在β相场上进行热处理可以基本上消除 LPBF 诱导的结构。强度-延展性关系可以通过后续的时效处理进行调整。通过低于 β 相场的热处理，可以部分消除高内应力和结构缺陷，并在样品中析出纳米级β相。关于各种热处理如何影响 LPBF 加工的 Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V 的显微组织和机械性能仍然缺乏知识，这对于指导进一步优化热处理至关重要。

在本研究中，华中科技大学王泽明教授团队通过LPBF 工艺优化针对高密度 Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V 样品进行。对比研究了不同体积能量密度和后热处理处理后样品的显微组织特征和力学性能。本工作旨在为 Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V 合金的 LPBF 和后热处理制造提供数据库和指导。相关研究成果以题“Microstructure and Mechanical Properties of Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V AlloyProcessed by Laser Powder Bed Fusion and Subsequent Heat Treatments”发表在增材顶刊Additive Manufacturing上。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2214860421005364

亚β热处理后，LPBF诱导的亚结构逐渐分解。最初在竣工样品中的 LAGB 在 HT700 样品中几乎消失了。缠结的 HAGB 部分保留在 HT700 和HT800 样品中，并在 HT900 样品中消失。HT900 样品经历了完全再结晶，没有残留 LPBF 诱导的马氏体。该结构的特点是α-板条和少数球状β。因此，与其他 sub-β 热处理样品相比，HT900 样品表现出更好的延展性。

图1。原始粉末的形态 (a) 和粒度分布 (b)。

图2。竣工立方体 (a)、用于拉伸试验的竣工样品 (b) 和最终加工的拉伸试样的几何形状 (c)。

图 5。已建成的Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V（S139）的代表性微观结构：（a）垂直截面中的 OM 图像；(b) 水平截面；(c) (a) 的放大图像；(d) (c) 的放大 SEM 图像显示亚微米针状 α' 以及初级 α'。

图 6。Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V（S139）样品的TEM结果：（a）明场图像显示孪晶结构，其中红色圆圈表示SAED基体；(b)、(c) 和 (d) 是来自 (a) 的相应SAED 模式。(b)和(d)中的下标“M”和“T”代表矩阵和孪生。

图 7。Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V样品的 EBSD 分析结果：（a）S125、（b）S139 和（c）S167 的带对比度图像；(d)S125、(e) S139 和 (f) S167 的错误取向角分布。

图 9。(a) 竣工 (S139)、(b) HT700、(c)HT800、(d) HT900 Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V 样品的反极图。

图 12。(a) 竣工 (S139) 和 (be) 后热处理Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V 样品的边界图，

与原始 LPBF 处理的样品相比，HT700和 HT800 样品中发现约 57° 边界的含量增加。我们推测从 60°/<1 的 再结晶阶段的边界。~57° 的特殊边界有利于机械性能。这导致 HT700 和 HT800 样品 在UTS中仅下降小范围 (~20 MPa)，与竣工样品相比，延展性有所提高。

图 15。显微硬度 (a)、位移 - 强度曲线 (b) 和拉伸性能(c) 对比 竣工 (S139) 和热处理后的Ti-6.5Al-2Zr-Mo-V 样品。

由于 β 相场的快速冷却，超 β 热处理样品中形成针状马氏体。HT970样品由α板和针状马氏体组成，HT1030样品由全针状马氏体组成。由于大的先验β晶粒，超β热处理后的样品延展性变差，显著低于竣工样品。