北科大《MSEA》：实现增材制造钛合金强塑性良好匹配

来源：材料科学与工程

钛及钛合金由于其高强度、低密度、生物相容性好等优点在增材制造领域具有极大的应用价值。然而，由于增材制造固有的高冷却速率，近α及α+β钛合金的沉积态组织通常为马氏体α’组织。马氏体组织尽管有高的强度，然而延伸率和热稳定性较差，因此在制备后通常需要进行一定的后处理来稳定合金的组织和性能。

来自北京科技大学等单位的研究人员针对增材制造制备TA15钛合金，提出了通过三段热处理以调控出合金的三模态组织，从而获得优异的综合力学性能。相关论文以题为“Achieving an ideal combination of strength and plasticity in additive manufactured Ti–6.5Al–2Zr–1Mo–1V alloy through the development of tri-modal microstructure”发表于Materials Science & Engineering A。

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.msea.2022.142944

TA15钛合金（Ti–6.5Al–2Zr–1Mo–1V）是一种典型中等强度的近α钛合金，有较好的高温力学性能，极佳的可焊性和工艺塑性。与广泛应用的Ti-6Al-4V合金相比，TA15合金的工作温度更高，在中等温度（450-500℃）下具有较高的力学性能。在以往研究中，已有研究报道通过增材制造（如LPBF）制备TA15钛合金，并展现出良好的应用前景。

本文通过三级热处理调控了增材制造LPBF态TA15钛合金的微观组织，以实现在尽量低的消耗强度的基础上提高合金的延展性。其具体的热处理制度如下图所示。所设计的实验方案对第一阶段的冷却方法、保温时间以及第二阶段的退火温度的影响进行了研究。并结合合金的微观组织及对应的力学性能进行了分析，深入阐释了热处理过程中TA15合金三模态微观组织的形成过程、球化机理及对力学性能的影响。

图1本文设计的三级热处理制度

图2为不同热处理状态下TA15合金的显微组织。在970°C保温1.5h后空冷（AC），TA15合金的显微组织由少量等轴α晶粒、大量层状α和β转变组织组成。而在970°C保温1.5h后炉冷（FC），显微组织则由大量等轴或短棒状α、少量层状α和β转变组织组成。以及当冷却方式为水淬（WQ）时，合金的显微组织由少量残余初生等轴α、细片状α和马氏体α'组成。也就是说，随着第一阶段热处理的冷却速率的增加，等轴α相的体积分数和平均粒径减小，同时层状α体积分数增加、平均宽度减小，β转变组织的体积分数变化不大。此外，通过在970°C/2 h/WQ+930 °C/3 h/AC+600 °C/4 h/AC热处理后，调控出了包含等轴α、层状α和β转变组织的典型三模态组织，如图2（f）所示。在该种热处理制度下，合金的显微组织由17%的等轴α、48%的层状α以及35%的β转变组织组成。

图2不同热处理状态下TA15合金的显微组织

(a)970 °C/1.5h/AC, (b) 970 °C/1.5h/FC, (c) 970 °C/1.5h/WQ; (d) HT1, (e) HT2, (f)HT3. 力学性能测试结果表明，在上述三级热处理制度下，TA15合金的塑性得到极大提升，最高可达到16.07%，如图3所示。此外，热处理后材料的屈强比也得到提高。

图3不同热处理状态下TA15合金的力学性能

总的来说，本文通过针对LPBF制备TA15合金的后处理过程中微观组织和力学性能演变行为展开了研究。通过本文提出的三级热处理工艺，成功调控出了TA15合金的三模态组织，使得合金在不牺牲过量强度的情况下，塑性得到了极大提升。本文结果对其他增材制造近α合金及α+β钛合金的后处理过程工艺制定同样具有指导作用。