吉林大学徐晓峰教授：实现增材制造Ti-6Al-4V合金强度和耐腐蚀性能的同时提升

来源： 材料科学和技术
第一作者：大连理工大学  严旭东助理研究员
通讯作者：吉林大学  徐晓峰教授
通讯单位：吉林大学
DOI: 10.1016/j.jmst.2023.12.060

常规热处理作为后处理通常会导致选区激光熔化（SLM）制备的Ti-6Al-4V合金的屈服强度和耐蚀性下降，主要原因是α板条的粗化和合金元素的配分（AEP）。本研究发现，电脉冲可以抑制初生α的生长和AEP的进行，它还能在β转变区引入了更细的α′板条，产生一种初生α与β转变区元素浓度差异很小的新型双板条微观组织结构。性能测试结果表明，β转变区较高的Al元素含量和更细的α′板条使得电脉冲处理试样的屈服强度（952 MPa）显著高于热处理的试样（855 MPa）；电脉冲诱导的新型双板条微观组织结构表现出高的极化电阻，更厚并且更稳定的钝化膜，进而提高了SLM Ti-6Al-4V合金的耐腐蚀性能。

由于极快的冷却速率（约103 – 108 K/s）和复杂的热循环，选区激光熔化（SLM）Ti-6Al-4V合金的微观结构通常含有高密度的晶体缺陷。因此，往往需要进行后处理来优化微观结构，进而提高机械和耐腐蚀性能。 SLM Ti-6Al-4V 最常用的后热处理是两相区温度下的固溶和退火处理。然而，由于α板条的粗化和合金元素配分（AEP）导致的元素偏聚，这些传统的热处理方法会导致合金的耐腐蚀性能恶化。相比之下，我们之前的研究（Journal of Alloys and Compounds 899 (2022) 163303）发现，结合热效应和非热效应的电脉冲处理可以有效抑制合金元素的扩散和晶粒粗化，进而实现了Ti-6Al-4V合金力学性能的显著提升。基于这一观察，我们假设通过对 SLM Ti-6Al-4V 进行电脉冲处理（将其加热至两相区温度，然后进行水冷固溶处理），从而抑制初生α相的粗化和由AEP导致的元素偏聚，这可能会促使强度和耐腐蚀性能的协同改善。

研究内容
1.利用电脉冲在SLM Ti-6Al-4V合金中构建了一种新型双板条微观组织结构。

2.电脉冲的快速加热致使β转变区的Al含量显著高于普通的热处理组织，进而实现更高的强度。

3.电脉冲产生的新型双板条微观组织结构具有更低的元素偏聚程度和更小的板条宽度，因而表现出更优异的耐腐蚀性能。

本研究采用的原材料是选区激光熔化（SLM）制备并去应力退火（650 ℃保温4 h）的Ti-6Al-4V合金，在如图1所示的自制电脉冲设备上对其进行电脉冲处理，处理时间为340 ms，到达最高温度后马上进行冷水降温，红外测温检测到的最高温度为900 ℃左右，同时进行了一组900 ℃保温1 h的常规热处理实验作为对照组。

图1 电脉冲处理过程和样品尺寸的示意图。

原始 (AR)、热处理 (HT) 和电脉冲处理 (EPT)样本的 TEM 明场照片如图2所示。AR样品的微观组织结构由板条状α相和细小颗粒状β相组成（如图2（a）中的红色圆圈所示，并由图2（b）中的选区电子衍射（SAED）图案证实）。HT样品呈现出典型的双板条微观组织结构，由粗大的初生α板条（αp）和β转变区（βt）中细小的α′板条构成，如图2（c，d）所示。由αp仅经历生长而没有任何相变，因此与AR中的α相比，其宽度更宽。与HT样品相比，EPT样品表现出不同的微观组织结构，具有更小的片层宽度的αp和βt区域（约500 nm，如图2(e)所示），此外βt区域中的α′也明显更细。

图2 不同状态SLM Ti-6Al-4V合金的TEM明场照片：(a) 制造去应力退火态（AR），(b) 红色圆圈所示区域的SAED图案，(c) 热处理态（HT），(d) HT微观组织的部分放大图，(e) 电脉冲处理态（EPT）和(f) EPT微观组织的部分放大图。

使用EBSD、TKD和EDS对样品的微观结构进行了进一步表征，结果如图3所示。热处理导致α板条明显粗化，平均宽度从2.4 μm增加到3.4 μm，增加了约42%。此外，α的面积分数从96%左右下降到68%。相反，电脉冲处理并没有显着影响α宽度，仅略微增加约17%至2.8 μm。α的面积分数下降至大约70%。此外，三个样品之间的元素分布也存在显着差异。AR样品在小区域内表现出集中的V元素（由红色箭头表示），而HT和EPT样品则表现出较大的聚集区域（由白色箭头表示）。与HT样品相比，EPT的元素分布更加均匀。虽然热处理和电脉冲处理后的原始β晶粒的形态和尺寸差异很小，但是不同程度的α板条生长、细小α′板条的形成以及元素分布的改变也会对Ti-6Al-4V的力学性能和耐腐蚀性能产生实质性影响。

图3 不同样品的IPF图、重建的原始β晶粒、晶界分布图、TKD/放大的IPF图、α板条宽度分布直方图以及Al和V的相关元素分布图：(a、b、c、 d) AR，(e，f，g，h) HT，(i，j，k，l) EPT。Al和V元素分布图分别对应于AR样品(d)的高倍率TKD图片以及HT和EPT样品的IPF图片(h, l)。

为了克服EDS对元素分布检测精度有限的问题，我们使用EMPA 行了额外的分析，以检查不同状态Ti-6Al-4V合金样品的元素分布。结果如图4所示。很明显，与AR样品和HT样品相比，EPT样品中Al和V元素的分布明显更加均匀。HT中的αp和α′之间的Al和V含量差异大于EPT中的差异（分别为0.8 wt.% vs. 0.4 wt.%和3 wt.% vs. 0.9 wt.%）。这些结果表明，电脉冲处理可以有效减缓AEP的进行。

图4 不同样品的显微组织和元素分布：(a-c) AR，(d-f) HT，(g-i) EPT。

同时我们利用相关的模型对元素扩散进行计算，V扩散速率和扩散距离的结果如图5所示。在电脉冲过程中，与非热效应相比，热效应引起了更大的V扩散速率。因此，非热效应引起的速率可以忽略不计（图5（a））。扩散速率取决于340 ms的电脉冲时间。值得注意的是，400 ms之前的无热效应的扩散速率和扩散距离可以忽略不计。电脉冲热效应引起的扩散速率和扩散距离在250 ms之前最初非常小。 然而，在此之后，它们会随着时间的推移而显着增加。因此，V 原子的扩散主要发生在 250-340 ms 之间。由热效应决定的V的总扩散距离约为0.06 μm（图5（b））。V扩散距离约为初始β相尺寸的2/3，在电脉冲过程中，初始β相位点周围的V含量将显着降低，因此，水冷后αp和βt区域的成分梯度将减小。

图5 电脉冲过程中V元素在β中的扩散速率(a)和距离(b)。

图6 总结了AR、HT和EPT样品的拉伸力学性能。相比AR，HT 样品的σu和δ有所提高，但σy降低至~ 855 MPa。EPT表现出三种样品中最高的σy（约 952 MPa）和σu（约 1123 MPa），并且其δ略高于AR（约13%）。样品的加工硬化率曲线（图9（b））表明热处理和电脉冲都能提高SLM Ti-6Al-4V合金的加工硬化能力，从而获得更高的σm（最大真实应力）和Δσ （最大真实应力与屈服强度之间的差异）。

图6 样品的拉伸性能：(a)工程应力-应变曲线和获得的性能值，(b)加工硬化率曲线和相关性能值。

图7(a)描绘了不同样品在3.5 wt.% NaCl 溶液中的开路电位 (Eocp)随浸泡时间的变化情况。AR和EPT样品具有接近的Eocp（约 -0.38 V），而HT样品表现出稍微更正的Eocp（约 -0.34 V）。图7(b)中的动电位极化曲线表明，与AR相比，EPT样品具有较低的钝化电流(ip)。另一方面，HT样品表现出不完全钝化行为，如电流密度缓慢增加所示。此外，与AR样品相比，EPT样品的表面钝化膜的击穿电位(Eb)更低。图7（c）中的拟合结果表明，EPT 样品的腐蚀电流（Icorr，~ 0.13 μA/cm2）低于AR样品（~ 0.16 μA/cm2），而HT样品具有更高的Icorr（~ 0.34 μA/cm2)。计算出样品的腐蚀速率如图7（d）所示。EPT样品显示出最小的腐蚀速率，约为0.0012 mm/year。相比之下，HT 样品表现出最大的腐蚀速率，约为0.0032 mm/year，大约是AR样品腐蚀速率的两倍。这些结果表明电脉冲可以增强SLM Ti-6Al-4V合金的耐腐蚀性能，而热处理削弱了耐腐蚀性能。

图7 (a) 样品在 3.5 wt.% NaCl 溶液中的OCP曲线，(b)动电位极化曲线，(c)腐蚀电位和腐蚀电流密度，(d)通过电流密度计算的腐蚀速率。

总结与展望
在本研究中，利用电脉冲对合金元素配分（AEP）的抑制，在SLM Ti-6Al-4V合金中构建了一种新型双板条微观组织结构。借助扩散计算分析了该微观结构的成因，并与传统热处理的样品进行比较。通过拉伸测试评估机械性能，而通过电化学和浸泡测试评估腐蚀性能。主要发现如下：在相同的两相区温度处理时，电脉冲处理的样品表现出与热处理相似的双板条微观组织结构，但前者的αp生长和AEP过程的受到阻碍；计算结果表明，电脉冲作用下V的扩散速率和扩散距离都很小，但足以明显降低初始β相位点的高浓度，从而导致α和βt区之间的元素浓度差异较小；热处理过程中适当的AEP由于βt区Al元素含量较低而降低了屈服强度，而电脉冲保持了较高的Al元素含量并在βt区引入了更细小的α′，从而提高了强度；电脉冲处理有效地减小了α和βt区域之间的元素浓度差，利于形成更致密的钝化膜，它还减少了原电池效应并增强了极化电阻；此外，该技术还可推广到其他增材制造α+β钛合金，同时提高其机械性能和耐腐蚀性能。

课题组介绍

严旭东 本文第一作者 大连理工大学 助理研究员

主要研究领域：增材制造钛合金的后处理

个人简介：2023年9月博士毕业于吉林大学，同年10月入职大连理工大学化工海洋与生命学院。主要从事生物医用镁合金、增材制造钛合金后处理和海洋用金属材料的研究工作。以第一作者在Journal of Materials Science & Technology、Corrosion Science等期刊发表论文10余篇，主持辽宁省自然科学基金联合基金项目1项。

徐晓峰 本文通讯作者 吉林大学 教授

主要研究领域：金属材料强韧化

个人简介：教授，博导。近年来一直围绕钢铁及轻合金强韧化设计开展了大量研究工作。主要从事钢铁、高强度铝、钛等合金的析出、强韧化和电致强化方面的研究工作。主持了国家自然科学基金（面上）“新型含Ca低合金高性能镁合金电致溶质再分布及析出相调控机制”、国家自然科学基金（青年） “超高强、高韧α+β型钛合金的电致强化机理”项目、吉林省重点研发项目和国家重点研发专项课题子项等项目。作为第一作者/通讯作者在Journal of Materials Science & Technology、Scripta Materialia等国际知名学术期刊上发表论文40余篇。

引用本文
Xudong Yan, Xiaofeng Xu, Yachong Zhou, Zhicheng Wu, Lai Wei, Dayong Zhang, Constructing a novel bi-lamellar microstructure in selective laser melted Ti-6Al-4V alloy via electropulsing for improvement of strength and corrosion resistance, J. Mater. Sci. Technol. 193 (2024) 37-50.