上海大学《MRL》：静磁场调控激光增材制造钛合金组织并实现性能提升！

来源：材料学网

2022年4月30日，南极熊获悉，上海大学省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室主任任忠鸣教授团队与法国电磁冶金领域权威专家Yves Fautrelle教授、法国增材制造权威专家Liao Hanlin教授、香港城市大学的吕坚院士合作，在静磁场调控激光增材制造钛合金微观组织及性能控制方面取得新的进展。相关成果以“Enhanced mechanical properties of Ti6Al4V alloy fabricated by laser additive manufacturing under static magnetic field”为题发表在材料领域国际著名期刊《Materials Research Letters》（IF=7.323）。论文第一作者为博士研究生赵睿鑫，通讯作者为上海大学的陈超越、王江老师，上海大学为唯一通讯单位。该项目得到了国家重点研究发计划项目、中国国家自然科学基金、上海市科学技术委员会、上海启明星计划、上海曙光计划资助。

全文链接：https://www.tandfonline.com/doi/ ... 663831.2022.2064195

激光增材制造（LAM）因其独有的优点，近年来得到了迅速发展。然而由于高温度梯度和高冷却速率的特性，增材制造样品呈现出沿增材方向（BD）柱状晶组织，以及力学性能各向异性和塑性不足。目前普遍采用后处理、合金成分设计、实时轧制、实时超声处理等手段，无接触调节金属增材制造过程方法也同样得到了广泛关注。上海大学任忠鸣教授团队长期从事电磁场下材料制备的基础与应用研究。

近日该团队成员创新性地提出利用实时外加静磁场调控L-DED成形Ti6Al4V合金微观组织，在固液界面前沿初生枝晶周围的产生热电磁流动，实现了中组织、织构和晶粒尺寸变化，最终在不损失塑性的前提下显著提高了L-DED增材制造Ti6Al4V钛合金的塑性，并减弱了力学性能各向异性。

图 1（a） L-DED样品在0.55 T横向静磁场下的凝固过程；（b）磁场强度分布；（c）凝固前沿的热电流和热电磁力；（d）、（g）增材制造样品光镜图；（e） β晶粒显微图；（f）、（i）β晶粒尺寸直方图

图2（a）加磁场及（b）未加磁场样品中β相的{001}XRD极图；（c） 加磁场及（d）不加磁场样品中β相的{110}XRD极图；（e）、（f）为{110}极图中<100>和<110>的标准极点。（g）（001）<100>织构，无磁场和有磁场样品的体积百分比

图3 无磁场（a）~（d），有磁场（e）~（h）样品的显微表征：图（a）、（e）为SEM图；（b）、（f）为反极图；图（c）、（g）为（b）、（f）图中对应(0002) α的极图；图（d）、（h）为TEM暗场图像

研究表明L-DED所具有的大温度梯度特性使得凝固过程中糊状区在静磁场下产生作用于胞状枝晶上的单向热电磁力，该力足以扭曲糊状区中的柱状晶粒，从而改变初生β晶粒取向，得到织构强度更低、尺寸更细小的初生β晶粒，且由于α相和初生β相取向遵循典型的伯恩斯关系，β织构的减弱也促进了α相织构强度的降低，增加了初生β晶界处不同取向的α形核数量，进一步减少影响性能的魏氏体组织，并且形成了不连续的晶界α相。由于晶粒的细化、强织构的改善及晶界连续α相的消失，在减缓了样品各向异性的同时，保证强度的前提下提升了样品的塑性。平行和垂直增材方向的抗拉强度及屈服强度的差值分别为由未加磁场时的160MPa及130MPa缩减到加磁场后的56MPa和13.5MPa，有效改善了性能上的各向异性，并且垂直增材方向的延伸率从未加磁场的3.4±0.7%变为10.8±2.8%，具有很大提升，同时平行增材方向的塑性也得到了一定的提高。

图4 （a）有磁场及无磁场样品的应力-应变曲线;（b）本实验样品性能与不同状态样品性能对比

图5（a） 和（c）α相的GBs 反极图；（b）、（d）重建的β相反极图；（e）和（f）对应于（a）和（c）图中的{0002}α极图；（g） 和（h）对应于（b）和（d）中的重构β相{110}极图

作者以双相钛合金Ti6Al4V为研究对象，在L-DED过程中添加无接触外场——静磁场对增材过程进行调控，结果表明横向静磁场能够与熔体在短时间的相互作用下改变熔池的微观结构并实现材料的组织及织构控制。研究中表明，在Ti6Al4V的L-DED过程中应用静磁场可以产生显著的热电磁力，引起β相的织构和晶粒尺寸的变化，并对不连续αGBs的形成产生更深远的影响，且磁场的加入导致不连续的α晶界提高了L-DED双相钛合金Ti6Al4V的塑性。该研究表面静磁场可以有效控制激光增材制造过程，并实现微观组织的无接触式控制。为解决目前困扰激光增材制造领域的诸多难题，提供了潜在的解决方案。