Materials Research Letters: 不同鋁含量鈦合金的激光增材制造與塑性提升新策略

一、【導讀】

Ti-6Al-4V (Ti64)合金因其具有高強度、低密度、良好的抗疲勞性能、優異的耐腐蝕性能和生物相容性等優點，被廣泛應用于航空航天、海洋、汽車、國防、生物醫藥、發電等行業。近幾十年來，人們越來越關注Ti-6Al-4V合金的增材制造。激光粉末床熔融(Laser Powder Bed Fusion，LPBF)是一種用于制造金屬部件的增材制造技術。它使用精細的激光束有選擇地融合金屬粉末床的區域，逐層構建組件。在柱狀初生β晶粒內LPBF Ti-6Al-4V (Ti64)具有α′馬氏體針狀組織分層結構，這與通常在這種商業合金中發現的兩相α+β組織(全層狀、雙模態或完全等軸)有很大不同。與傳統制造工藝(如軋制、鍛造等)的Ti64相比，LPBF Ti64的加工硬化性、延展性和拉伸塑性較差。這些問題嚴重限制了LPBF Ti64在具有嚴格安全標準的航空航天工業中的使用。

二、【成果掠影】

上海交通大學材料科學與工程學院王樂耘團隊從鈦合金的微觀變形機理出發，通過粉末預合金化來調控鈦合金中鋁元素的含量，設計了Ti-4Al-4V（Ti44）和Ti-8Al-4V（Ti84）兩種合金，研究了Al含量對LPBF Ti-xAl-4V合金(x = 4,6,8, wt.%)顯微組織和力學性能的影響。結果表明鋁含量越高，材料的強度越高。Ti44和Ti84合金均表現出比Ti64更高的加工硬化值和均勻延伸值。這一結果歸因于Ti44中多種滑移模式的激活和Ti84中更不均一的微觀結構。相關研究成果以“Laser additive manufacturing of titanium alloys with various Al contents”為題發表在國際著名期刊Materials Research Letters上。

三、【核心創新點】

Ti-xAl-4V合金(x = 4,6,8, wt.%)合金強度隨Al含量的增加而增加，由于Ti44中多種滑移模式的激活和Ti84中更為異質的微觀結構，Ti44和Ti84都比Ti64具有更高的加工硬化和均勻延伸值。

四、【數據概覽】

圖1?Ti44, Ti64和Ti84的XRD譜圖?2023 The Author(s)

圖2 Ti44、Ti64和Ti84的顯微組織比較。(a)利用(b) α’板條的EBSD反向極圖重構初生β相。(c) (b)中黑框的放大圖像。(d)三種合金中一次馬氏體(primary α′)的板條寬度分布。?2023 The Author(s)

圖3 (a?c)Ti44、Ti64和Ti84的明場TEM圖像。(d?f)次生馬氏體(secondary and ternary α′)板條寬度分布。(g?i) Ti44、Ti64和Ti84不同顯微組織示意圖。?2023 The Author(s)

圖4三種材料的拉伸性能。(a, b) Ti44、Ti64、Ti84試樣的應力-應變曲線。(c)三種合金的加工硬化率。(d) Ti44、Ti64和Ti84與文獻中其他構建的LPBF Ti64的屈服強度和均勻伸長率值的比較。?2023 The Author(s)

圖5 (a) Ti44、Ti64、Ti84的LUR(Loading-unloading-reloading)試驗應力-應變曲線。(b)三種合金的第四個磁滯回線。(c) 異質變形誘導應力計算示意圖。(d) Ti44、Ti64和Ti84的異質變形誘導應力值演變。?2023 The Author(s)

五、【成果啟示】

本文通過LPBF工藝研究了Al含量對Ti-xAl-4V合金(x=4,6,8, wt.%)顯微組織和力學性能的影響。Ti44、Ti64、Ti84這三種合金都只含有α′相。每一種合金都呈現出初生β晶粒、一次馬氏體(primary α′)、次生馬氏體(secondary and ternary α′)板條組成的分層組織。LPBF-Ti44合金的塑性和各向同性明顯優于LPBF-Ti64。該合金降低了鋁的含量，起到了三個效果：1）α′相內部變形由平面滑移向交滑移轉變、2）成型材料顯微組織由柱狀晶向等軸晶轉變、3）次生α′馬氏體寬化導致晶界數量進一步減少，這些都有利于材料塑性和各向同性的提升。LPBF-Ti84合金不但屈服強度高于Ti64，加工硬化和均勻延伸率也高于后者。這主要是由于Ti84中次生α?馬氏體尺寸的不均勻分布，所產生的異構組織變形誘導硬化機制所導致的。這一研究通過改變鈦合金中常用添加元素鋁的含量，得到的合金更適合LPBF工藝，改善了LPBF Ti-6Al-4V拉伸塑性較差的缺點，為相關的新合金設計提供了重要參考依據。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1080/21663831.2023.2165418

本文由小藝撰稿