西工大《JMST》：激光增材制造近等轴β晶钛合金的组织性能研究！

来源：材料科学与工程

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本研究通过调控工艺参数实现了具有近等轴β晶粒组织的Ti60（Ti-5.7Al-4.0Sn-3.5Zr-0.4Mo-0.4Si-0.4Nb-1.0Ta-0.05C）钛合金的激光增材制造。建立了考虑多组元影响的Ti60钛合金的CET曲线，并结合熔池凝固过程温度场的数值模拟，揭示了近等轴晶组织的形成机理。提出凝固温度区间𝛥𝑇𝑓相比生长抑制因子𝑄能够更好地预测不同种类钛合金的等轴晶形成趋势。激光增材制造近等轴晶Ti60合金的力学性能各向异性降低，沿沉积方向的α相尺寸变化是引起横纵向试样中室温拉伸性能差异的主要原因。

背景介绍

激光增材制造钛合金组织多以外延生长的柱状晶为主，其内部分布着板条状的α相或针状的马氏体α′，性能呈高强低塑特性，且有明显的各向异性。因此，激光增材制造钛合金的成形件或修复件的综合力学性能难以满足使用要求。实现激光增材制造钛合金组织晶粒等轴化是解决该问题的关键举措。本研究以我国自主研制的近α型钛合金Ti60为研究对象，重点开展了基于粉末送进的激光增材制造Ti60 钛合金晶粒等轴化及室温拉伸断裂失效机制研究，揭示了该合金显微组织演变规律及其对力学性能的影响机制，为激光增材制造Ti60 钛合金的应用提供理论基础和实践依据。

本文亮点

1）仅调控工艺参数实现了近等轴β晶粒组织Ti60钛合金的激光增材制造
2）提出凝固温度区间𝛥𝑇𝑓能够更好地预测不同种类钛合金的等轴晶形成趋势
3）降低了激光增材制造Ti60合金的力学性能各向异性

图文解析

近等轴β晶粒及晶内亚结构

激光增材制造Ti60钛合金近等轴晶组织的主要特征是交替出现的短棒状柱状晶和细小等轴晶，柱状晶的外延生长被限制在相邻熔覆层之间，平均晶粒尺寸为80.3 μm。此外，激光增材制造过程中独特的热循环导致了层带结构的形成，且层带结构同时包含粗大的初始α板条和细小的二次α板条。

图1 激光增材制造Ti60钛合金的显微组织

图2 EBSD测试结果（a）及初始β晶粒的重构（b）

室温拉伸性能及断裂失效机制

激光增材制造Ti60钛合金横向试样和纵向试样的室温拉伸性能均达到锻件标准，且前者的室温拉伸性能优于后者。近等轴晶组织显著降低了激光增材制造Ti60钛合金室温拉伸强度的各向异性，但是塑性仍有较为明显的差异。力学性能差异的主要原因是纵向试样具有沿沉积方向的不均匀显微组织（主要体现在α相尺寸），而横向试样的显微组织相对均匀。

图3 激光增材制造Ti60钛合金的室温拉伸性能

图4 激光增材制造Ti60钛合金沉积态试样不同高度处α板条形貌：

(a)底部；(b)中部；(c)顶部；(d)α板条宽度和维氏硬度之间的关系

等轴β晶粒的形成机理

熔池凝固过程中，随着凝固条件的改变，晶粒形态从底部的柱状逐渐变为顶部的等轴状。本研究所选择的工艺参数可以很好的保留每层熔覆层顶部形成的等轴晶，从而有效的阻碍了柱状晶的外延连续生长，进而获得近等轴组织。

图5 （a）凝固过程中熔池不同位置的温度场模拟情况；（b）温度梯度𝐺和凝固速率𝑉随熔池局部深度𝑧(𝑧 = 0对应于表面)的变化规律；（c）激光增材制造Ti60钛合金近等轴晶粒组织形成示意图

图6 Ti60钛合金的CET曲线与熔池凝固不同时刻对应的凝固条件

成分过冷是造成CET的主要原因。成分过冷区高度𝛥𝑇𝐻和成分过冷区宽度𝛥𝑍是描绘成分过冷区的重要特征参量。在相同的凝固条件下，𝛥𝑇𝐻和𝛥𝑍的值取决于两个变量：平衡溶质分配系数𝑘0和液相扩散系数𝐷。不同溶质元素的𝐷值基本处在同一个数量级，这也意味着𝐷值的变化对𝛥𝑇𝐻和𝛥𝑍值影响较小。然而，在钛合金液相中，不同溶质元素的𝑘0可以相差两个数量级。Ti60钛合金的𝑄值小于TC21（Ti-6Al-2Sn-2Zr-3Mo-1.5Cr-2Nb）合金，然而前者具有更大的凝固温度区间。当用𝑄值当做判断依据时，TC21是容易获得等轴晶的，而实验结果却与此相悖。反之，若采用𝛥𝑇𝑓值作为判断依据，便可以很好的预测不同种类钛合金的等轴趋势。

图7 不同类型钛合金的凝固温度区间和生长抑制因子及其对应的晶粒特征

总结与展望

本研究基于激光增材制造技术制备了具有近等轴组织的Ti60钛合金，揭示了等轴晶的形成机理，并通过分析成分过冷区的特征参量高度𝛥𝑇𝐻和宽度𝛥𝑍，提出基于凝固温度区间来预测钛合金等轴晶形成趋势，发展了激光增材制造钛合金等轴β晶粒的调控方法，即通过实时改变成形过程中的工艺参数（例如激光功率、扫描速率等），减小稀释区深度，保留每层或每几层熔覆层顶部的等轴晶，以阻碍初始柱状晶的外延生长，进而获得等轴组织。研究成果有助于增材制造专用钛合金的设计与制备。