上海理工《Scripta Mater》：3D打印钛合金晶界α相的析出与粗化！

来源：材料科学与工程

钛(Ti)合金由于比强度高、耐腐蚀性能优异、疲劳性能良好被广泛应用于航空航天和生物医学领域。晶界α-相(GB-α)是Ti合金中常见的组织之一，被认为对力学性能有不利影响。Ti合金中GB-α的形成受一系列因素的影响，如冷却速度、退火温度和合金成分。GB-α的形态可分为连续型和不连续型两种，连续的GB-α被认为优先在β相的大角度晶界(HAGBs)处形成，β钛合金中不连续GB-α的形成可能是由于大角度晶界上初生GB-α之间的元素偏析造成。

此外，β相向α相转变过程中的不同选择也决定了GB-α相的形态。对Ti-6Al-4V(Ti-64)等激光粉末床融合(LPBF)加工后的Ti合金进行热处理是获得理想力学性能的重要途径。在LPBF处理的Ti合金中，经过各种热处理后，可以很容易地识别出GB-α的存在，而GB-α在制备状态下几乎没有被注意到。虽然在常规制造的钛合金中，GB-α的形成机制已经被证实，通常与化学动力和晶体取向有关，但在LPBF加工的钛合金中，GB-α的生长行为却很少被报道。

上海理工大学的研究人员探讨了GB-α在LPBF处理Ti-64中的析出和粗化行为。相关论文以题为“Grain boundary α-phase precipitation and coarsening: Comparing laser powder bed fusion with as-cast Ti-6Al-4V”发表在Scripta Materialia。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114261

本文通过气体雾化法制备合金粉末，合金成分为Ti-6.20Al-4.04V-0.15O-0.01C-0.028N-0.0043H-0.20Fe。激光功率265W，扫描速度1100mm/min，开口距离0.15mm，层厚0.04mm。热处理温度为750℃、850℃、950℃，保温时间1、2、3、6h(水淬)，对比铸态Ti-64试样进行相同热处理。

研究发现制备的Ti-64在原有的β晶界上没有出现GB-α相，与之前的研究一致，在不同温度热处理后，GB-α可以在EBSD逆极图中识别出来。在750℃热处理的样品，只能识别出少量的GB-α相，其厚度为0.87±0.23μm；随着温度的升高，GB-α呈现出近乎连续的形貌，850℃/5min后测得其平均厚度为1.19±0.19μm，950℃/5min后测得其平均厚度为1.63±0.13μm。样品GB-α相主要分布在β晶界的三重连接处(TJs)，GB-α在TJs处的优先形核可能与这些位置存在较多的晶体缺陷有关，这些缺陷是由于GB位错造成的，它导致存储能量更高，并促进扩散，有益于GB-α相形核。

图1 750℃/5 min、850℃/5 min、950℃/5 min时α相反极图和β相反极图

图2 750℃/5min、850℃/5min、950℃/5min时EBSD图

图3 不同热处理后LPBF和铸态Ti-64的GB-α厚度以及高温对粗化系数n的影响

图4 EBSD分析850℃/5min试样及生长示意图

综上所述，本文研究了LPBF处理Ti-64后热处理过程中GB-α的析出和粗化行为。Ti-64的显微组织为全α马氏体，无GB-α相。在随后的高温处理过程中，由于在这些位置的界面能较高，GB-α在之前β晶界的TJs处迅速析出和生长。高温热处理过程中，GB-α连续粗化行为遵循经典Lifshiz和Slyozov，Wanger理论(LSW)，该理论表明，在750℃时粗化行为为体扩散，在850℃和950℃时发生界面反应。在不同温度下，从体扩散到界面反应的粗化行为变化可能是由于某些α片层出现界面不稳定析出，导致GB-α的曲率增大。本研究得出的LPBF处理后退火工艺与GB-α析出和粗化行为之间的相关性有助于进一步提高钛合金的力学性能。（文：破风）