强度最高的新型钛合金——Ti185合金的选择性激光熔融制造

导读：Ti-1Al-8V-5Fe (Ti-185)等含铁β -Ti合金因其强度高（抗拉强度高达1600MPa）、成本低而受到人们的青睐。然而，由于强的Fe元素偏析和β相颗粒的形成，这些合金不能通过铸锭铸造生产。本研究中以单质Ti、Fe粉末和不规则形状的Al-V中间合金粉末为原料，采用选择性激光熔化(SLM)技术成功地制备了Ti-185部件。

在本研究中，Ti-185作为一种新型材料被用于选择性激光熔化(SLM，一种基于粉末床的增材制造技术)的制造中。相对于α + β级，关于β钛合金AM的研究很少。这被认为是由于可用于SLM制造的粉末很稀有。本工作的主要目的是研制Ti-185合金的打印组件，且具有最小的偏析和孔隙，合理的力学性能。在金属加热过程中，冷却速率可达103-104°C/s，这可以大大减少Fe偏析，减少β颗粒的形成，确保获得最佳的屈服强度和韧性。Eylon和Froes指出，Ti-185应该只用于能够从液体快速转化为固体的过程中。由此可见，增材制造具有高凝固速率的特点，是唯一适合加工Ti-185的材料。

相关研究以题为“Additive manufacturing of a novelTi-Al-V-Fe alloy using selective laser Melting“的论文，被发表在《AdditiveManufacturing》期刊上。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.04.006

钛合金具有较高的比强度和较高的工作温度。近年来，β -Ti合金因其较高的强度以及较其它Ti合金更好的韧性和抗疲劳性能而得到了广泛的研究。这些合金含有大量的β稳定元素(Mo, V, Cr, Fe)。由于成本高，β -Ti合金的大规模采用受到限制，这部分是由于Mo、V和Cr合金元素的成本。

Ti-1Al-8V-5Fe (Ti-185)是一种独特的低成本β -Ti合金，与Ti-10V-2Fe-3Al (Ti-1023)和Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr (Ti-5553)相比，它含有较低成本的合金元素，特别是Fe，同时提供高强度和疲劳寿命。尽管Ti-185在50多年前就获得了专利，但使用传统的加工方法在商业上并不可行。这是因为铸造过程中Fe发生了强烈的微偏析，导致成分变化较大，并导致脆性相的析出。在目前Ti-185合金的少数可实施应用中，多是通过对合金进行热处理，以产生由β基体和晶界初生α相组成的微观组织，以及晶粒内部α析出相的纳米级分布。

Joshi等人开发了Ti-185的加工路线，即粉末冶金结合热机械加工。这样就避免了Fe的偏析和有害β斑相的形成(β斑相是富含β稳定元素的β相区域，如Fe和/或Cr)。虽然Ti-185合金性能优异(拉伸强度1655MPa，伸长率4 - 6%)，但在制作组件时，需要经过漫长而昂贵的烧结处理和多次轧制步骤。Devaraj从相同的材料开始，通过在β -超温下时效处理，在β -基体中开发了具有非常精细的初生和次生α的分级纳米结构合金。这种显微组织产生了强度和延展性的独特组合，超过了现有的所有商业钛合金。

图1 (a)本研究所用Ti-185粉末的SEM图像，(b)预制样品的XRD图谱，(c)粒径分布分析。

图2 (a, b)在抛光和腐蚀条件下的建成样品的光学显微图，(c)建成样品和随后加热到1200°c然后水淬的样品的XRD图，(d)建成样品在建成方向的EDS线扫描。(注意:Fe线和V线相互重叠)。

图3所示。(a)建成结构的光学显微图;(b)来自(a)框的高分辨率图像，显示出不均匀的沉淀分布。构建方向是垂直的。

图4所示。由叠加的晶界图(白点为无索引点，实线为高角度晶界)和(b) (a)中高亮区域的α相图(注:β (β)相矩阵中的晶界被初级α相装饰，(c)对应的铁(Fe)图显示了铁在α和β (β)区域之间的分配。

图5所示。Ti-185合金在SLM和后热处理过程中的温度-时间剖面示意图。对于O值为0.78 wt.%的Ti-185，平衡熔化温度为1650℃，β-过渡温度为980℃。

图6所示。(a)建成样品的亮场TEM图像;(b)衍射图和(c)， (d) α相和ω相的暗场图像;(e)β基体内位错结构;(f)分析显示α β， n d ω，，斑点的衍射图。

图7 在(a, c) 800℃时效1 h和(b, d) 960℃时效30min时，晶粒尺寸和α析出相的演变。生成方向为垂直方向。

图8 Ti-185试样的预制和热处理(960°C-30min)的真压应力-应变曲线。故障点由交叉标识。

表1 (近)β- β Ti合金的压缩力学性能。

最终，用SLM法成功地生产出了一种因铸锭过程中严重偏析而易发生脆性的含铁钛合金Ti-185。在Ti-185中发现的小晶粒和这些β颗粒的缺失提供了强有力的冶金证据，表明Ti-185是一种很有前途的SLM材料。强度和塑性的显著结合是由于非常细的晶粒结构、分布在β (β)基体中的纳米级α相、高位错密度以及高氧含量。

通过对预制构件的微观结构分析表明，SLM可以用于产生具有纳米级析出相和非有害的铁偏析的非常细的晶粒组织。这一结果可以用SLM过程中的快速凝固条件来解释。压缩试验结果表明，无论是打印试样还是热处理试样，都能获得超高强度和合理的延性。该工艺为增材制造新系列含铁钛合金的开发开辟了一条新的途径。