原位Ni合金化增强激光辅助增材制备Ti-6Al-4V合金

来源：长三角G60激光联盟

导读：据悉，钛合金具有密度低、比强度高、耐腐蚀性好等优点，在航空航天、汽车、医药等领域得到了广泛的应用。为了满足轻量化和高性能的要求，基于“离散+积累”原理开发的激光辅助增材制造（LAAM）技术在钛结构件制造中逐渐显示出广阔的应用前景。LAAM钛合金的典型微观结构是外延生长的柱状晶粒。这种微观结构特征导致了强烈的<001>织构，这通常被认为是各向异性力学性能甚至强度降低的主要原因。

原位镍合金化对LAAM Ti-6Al-4V合金的显微组织有四种影响。（i）镍增材能显著细化β晶粒。（ii）镍增材可明显诱导球状α相的形成。（iii）镍增材可以诱导Ti2Ni纳米颗粒的沉淀。（iv）Ni是一种著名的β-稳定剂，它可以显著增加β相的体积分数。室温拉伸结果表明，随着镍增材量的增加，机械强度增加，伸长率几乎呈线性下降。采用改进的数学模型对强化机理进行定量分析。结果表明，在本研究中，α板条相和固体溶质对LAAM构建的Ti-6Al-4V-xNi合金的整体屈服强度贡献最大。

在《International Journal of Extreme Manufacturing》（IF:10.036）上发表的一篇新论文中，一个联合研究团队，包括新加坡制造技术研究所的Youxiang Chew博士、Fei Weng,博士、Chaolin Tan博士和Zhenglin Du博士，以及广东智能制造研究所的Guijun博士，采用原位镍合金化方法对LAAM-Ti-6Al-4V合金进行了微观结构调整，提高了合金的强度。镍在AM构建的Ti–6Al–4V合金上增材的内在机制已得到很好的确定，这有助于促进AM定制钛合金的开发。

实验细节

镍增材对LAAM Ti-6Al-4V合金的显微组织有以下四种影响：（i）随着镍含量的增加，LAAM Ti-6 Al-4V-xNi的前β晶粒形态逐渐由柱状变为等轴状，尺寸先减小后增大。（ii）随着镍含量的增加，形成更多球状α相。（iii）镍增材诱导Ti2Ni纳米颗粒沉淀。（iv）镍增材增加了β相的含量，而降低了α相的含量。因为它是一种β-稳定元素。因此，LAAM Ti-6Al-4V-xNi合金的屈服强度和抗拉强度随Ni含量的增加呈线性增加，而塑性则呈相反的趋势。

首席研究员之一Bi Guijun博士表示，“激光辅助增材制造（LAAM）技术以粉末喂料为特征，可以实时调整化学元素的含量，实现原位合金化，在阐明合金元素效应和开发定制合金方面具有显著优势。”

先验β晶粒的OM观测及定量统计结果。(a) Ti–6Al–4V; (b) Ti–6Al–4V–1.1Ni; (c) Ti–6Al–4V–1.7Ni; and (d) Ti–6Al–4V–2.5Ni.

镍元素在钛合金中有增大成分过冷度的大趋势，通常会导致铸件中严重的宏观偏析。第一作者Shang Sui博士解释说：“LAAM工艺中的冷却速度可以达到103-105°C/s，显著抑制宏观元素的偏析。因此，共析元素Ni对铸件来说并不理想，通过控制其含量，可能适合于LAAM处理的钛合金。”

Fei Weng博士解释道：“与镍元素类似，铜也是共析元素，不适合铸造钛合金。然而，最近在《Nature》杂志上发表的文章表明，添加铜可以促进超细晶粒的形成，并在添加金属的钛合金中产生高强度。”

本研究详细研究了微观结构演变和强度增强的基本机制。终止质量迁移理论表明，元素在α相和β相之间的扩散是α相球化的主要驱动力。此外，还采用了改进的强化模型来定量计算屈服强度。定量分析表明，精制α板条相和固体溶质的强化作用对LAAM制备的Ti-6Al-4V-xNi（x=0，1.1，1.7，2.5 wt.%）合金的整体屈服强度起主导作用。

TEM检测到LAAM构建的Ti–6Al–4V–xNi（x=1.1，2.5 wt.%）合金的结果。（a） Ti–6Al–4V–1.1Ni合金中的Ti2Ni纳米颗粒。（b） Ti–6Al–4V–2.5Ni合金中的Ti2Ni纳米颗粒。

此外，镍是一种β-稳定元素，将在β相富集。β相中的大量固溶体镍原子显著提高了其强度，同时降低了材料的变形能力。考虑到钛合金中α相和β相交替排列，β相变形能力的恶化限制了α相的变形，导致伸长率降低。

LAAM构建Ti–6Al–4V–xNi（x=0，1.1，1.7，2.5 wt.%）合金的断口分析。

来源：Study of the intrinsic mechanisms of nickel additive for grain refinement and strength enhancement of laser aided additively manufactured Ti–6Al–4V, International Journal of Extreme Manufacturing, 10.1088/2631-7990/ac6b61