“通過LDED技術(shù)制備的高強(qiáng)度鈦合金，可以通過優(yōu)化工藝參數(shù)，進(jìn)一步細(xì)化枝晶，并采用適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に嚕�使顯微組織更有針對性，從而提高其性能。

高位錯密度可以提高材料的強(qiáng)度和韌性。位錯能夠阻礙其他位錯的運(yùn)動，從而增加材料的抗變形能力。然而，過高的位錯密度也會影響材料的塑性，因為位錯之間的相互作用會使得材料難以變形。”

導(dǎo)讀：增材制造的高強(qiáng)鈦合金由于時效處理形成的組織不同，通常具有與變形合金相同的強(qiáng)度和較低的塑性。為了研究這些組織的形成機(jī)理，北京航空航天大學(xué)湯海波研究團(tuán)隊分別采用激光直接能量沉積（LDED）和鍛造法制備了超高強(qiáng)度鈦合金TB18(Ti-4.2Al-5V-5Cr-5Mo-1Nb)，并對其時效行為和組織進(jìn)行了深入的表征和比較。結(jié)果表明，時效過程中，LDEDed合金的析出時間比變形合金早1 ~ 2 h，析出物主要在網(wǎng)狀亞晶界處形成。由于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的抑制作用，在亞晶粒內(nèi)部形成了細(xì)小的短桿α條。LDEDed合金的亞晶界是由于富含Cr和O原子的枝晶間區(qū)局部變形和恢復(fù)而產(chǎn)生的，在固溶處理中表現(xiàn)出與變形合金不同的高熱穩(wěn)定性。這些晶界的位錯密度比晶內(nèi)區(qū)的位錯密度高幾倍，在時效早期促進(jìn)了2型取向α板條的優(yōu)先析出。在時效合金的拉伸試驗中，LDEDed合金的位錯在α/β界面處堆積，引起應(yīng)力集中，破壞了合金的塑性。

圖1所示。(a) led工藝示意圖；(b)堆積的大塊；(c)不同時效時間的熱處理制度示意圖。

表1。TB18粉末、LDEDed和鍛件的化學(xué)成分。

高強(qiáng)度鈦合金以其超高的比強(qiáng)度和良好的耐腐蝕性，廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、體育、醫(yī)療等領(lǐng)域。高疲勞性能和寬使用溫度范圍也使其在某些領(lǐng)域成為高強(qiáng)鋼的替代品之一。先進(jìn)工業(yè)對設(shè)備的輕量化、整體性不斷提出要求。傳統(tǒng)的材料制備方法，如鑄造或鍛造，面臨著成本增加和生產(chǎn)周期長的困難。相比之下，增材制造采用逐層疊加的方法，將材料制備與成形相結(jié)合，成為制造高效率、柔性部件的主要方法之一。因此，在過去的幾十年里，增材制造鈦合金受到了越來越多的關(guān)注。增材制造在形成廣泛使用的α+β雙相鈦合金（如Ti-6Al-4V， Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si等）方面取得了與傳統(tǒng)變形合金相當(dāng)或部分超過的優(yōu)異性能。然而，對于一般為重合金化近β鈦合金的高強(qiáng)度鈦合金，增材制造的零件仍然面臨著的強(qiáng)度塑性匹配問題。

“ 3D Science Valley 白皮書 圖文解析

”

增材制造鈦合金通常表現(xiàn)出比變形合金更高的強(qiáng)度和略低的塑性，這使得高強(qiáng)度鈦合金中強(qiáng)度塑性權(quán)衡的矛盾更加突出。這主要是由于兩種方法制備的合金的顯微組織不同。變形合金在再結(jié)晶后往往具有細(xì)小的等軸晶粒，具有雙峰或籃織組織。增材制造的高強(qiáng)鈦合金通常含有大量等軸晶粒和細(xì)小的柱狀晶粒，具有籃織組織。為了解決這一問題，一些學(xué)者開發(fā)了具有相變誘發(fā)塑性TWIP/TRIP和多尺度納米孿晶等新型強(qiáng)化機(jī)制的合金，為高強(qiáng)度鈦合金的設(shè)計開辟了新的途徑。TWIP/TRIP機(jī)制最初是由F. Sun等人于2010年在Ti- 12mo合金中發(fā)現(xiàn)的，后來被擴(kuò)展到更廣泛的合金中，特別是在Ti和Zr體系中。該合金在拉伸試驗中表現(xiàn)出優(yōu)異的強(qiáng)度和塑性，主要是由于{3 3 2} <113> 和 {1 1 2}<111>機(jī)械孿晶的形成和新相（ω和馬氏體α”）的形成，有效地克服了常規(guī)合金的強(qiáng)度-應(yīng)力權(quán)衡問題。近年來，在壓縮試驗中，初級馬氏體的連續(xù)分層孿晶和微觀和納米尺度上的分層非均質(zhì)組織特征有助于將高強(qiáng)度、大延展性和增強(qiáng)的應(yīng)變硬化能力很好地結(jié)合在一起。在直接能量沉積（DED）過程中，析出的細(xì)小α相（β-C、Ti5553）強(qiáng)化的傳統(tǒng)高強(qiáng)鈦合金，由于析出的β穩(wěn)定元素（Cr、Mo、Fe）濃度高，偏析能力大，擴(kuò)散系數(shù)低，即使在超快速凝固過程中也會形成枝晶偏析，對合金的組織有一定影響。在時效過程中，合金的晶粒形態(tài)和微觀偏析都會影響α板條的形成。α板條的尺寸和形貌被認(rèn)為是影響高強(qiáng)鈦合金強(qiáng)度塑性匹配的重要因素，研究人員對α板條的尺寸和形貌進(jìn)行了研究。高強(qiáng)鈦合金中的α相主要在時效處理過程中形成，通過調(diào)整時效處理的溫度、時間和步驟可以獲得不同形貌和尺寸的α相。因此，研究增材制造高強(qiáng)鈦合金中α相的時效動力學(xué)行為，對于深入認(rèn)識和解決其強(qiáng)度塑性匹配問題具有重要意義。

目前調(diào)節(jié)鈦合金α相形貌和尺寸的方法有熱處理、微合金化和外場輔助。

“ 3D Science Valley 白皮書 圖文解析

”

其中，熱處理是研究最廣泛的。一般認(rèn)為，具有連續(xù)光滑形貌的晶界α相（α gb）破壞了合金的塑性。Liu等通過爐內(nèi)冷卻熱處理獲得羽狀晶界魏氏組織（αWGB），顯著提高了激光增材制造Ti-55511合金的伸長率。在裁剪晶間αI和αGB方面，Deng等對選擇性激光熔化制備的Ti55531合金進(jìn)行了三種不同的熱處理工藝，發(fā)現(xiàn)雙相區(qū)退火+時效可以得到棒狀的初級αp和細(xì)小的次級αS，達(dá)到良好的強(qiáng)塑性匹配。對于激光直接能量沉積（LDED）制備的合金，Ding等研究了四種不同熱處理工藝下的顯微組織和室溫拉伸性能，發(fā)現(xiàn)亞臨界β退火+時效處理（SBA-A）獲得了由αWGB包圍的片狀αp和細(xì)小αs，表現(xiàn)出優(yōu)于雙相區(qū)退火+時效和反復(fù)亞臨界β加熱和冷卻[7]處理的合金的性能。Bermingham等人通過在兩種溫度下連續(xù)時效，在鋼絲和電弧添加劑制造的(WAAMed) β – c合金中獲得了細(xì)小而致密的α析出物，抗壓強(qiáng)度達(dá)到1600 MPa以上，塑性良好。在成分設(shè)計和改進(jìn)方面，Cao等人在冷加工β – c合金中加入微量碳，形成帶有αI的間歇性αGB和細(xì)小β晶粒，與無碳合金[8]相比，增強(qiáng)了合金的強(qiáng)度，但沒有塑性損失。Zhang等人設(shè)計了一種高O、N元素含量的鍛造高強(qiáng)鈦合金，通過熱處理得到αGB薄膜、網(wǎng)狀αWGB和細(xì)小αI薄片，實現(xiàn)了極高強(qiáng)度和優(yōu)異塑性的匹配。Li等人對Ti-4.5Al-6.5Mo-2Cr-2.6Nb-2Zr-2Sn-1V合金進(jìn)行固溶時效處理，得到了強(qiáng)度塑性匹配良好的多尺度網(wǎng)狀籃織組織。學(xué)者們通過多種手段獲得了高強(qiáng)鈦合金的各種顯微組織，以實現(xiàn)良好的強(qiáng)塑性匹配，但對α析出行為的深入表征和相關(guān)機(jī)制的揭示尚不為所知，增材制造合金與鍛造合金的時效析出差異尚不清楚。這對于深入認(rèn)識高強(qiáng)鈦合金微觀組織形成機(jī)理，有效調(diào)控微觀組織，開發(fā)新型顯微組織具有重要意義。

一方面，目前對增材鈦合金中α形成機(jī)理的研究主要集中在Ti-6Al-4V等α+β合金上。對變異選擇的分析為深入了解這一機(jī)制提供了有效途徑。總的來說，在單個β晶粒中形成的12種α變異體具有一定的晶體取向，考慮到它們之間的空間關(guān)系，它們的邊界可分為5種類型。理論上認(rèn)為各變異的概率相等，將某一特定變異或變異邊界的分?jǐn)?shù)與理論值的偏差定義為變異選擇。Haghdadi等人報道了五種類型的邊界在不同微觀結(jié)構(gòu)中與理論值的比例。Lu等人發(fā)現(xiàn)，4型和2型邊界分別傾向于在柱狀和等軸晶中形成。DeMott等人分析了α板條的分支和碰撞，闡明了籃織結(jié)構(gòu)、針狀結(jié)構(gòu)和層狀結(jié)構(gòu)的變異選擇行為。另一方面，對高強(qiáng)度鈦合金α變異體的研究主要集中在的鑄造和鍛造制備的合金上。研究結(jié)果為填補(bǔ)增材制造高強(qiáng)鈦合金老化性能的空白提供了參考和指導(dǎo)。

對于形變高強(qiáng)度鈦合金的時效組織，除了經(jīng)典的雙峰組織外，還報道了綜合力學(xué)性能優(yōu)異的籃狀組織，這有利于分析合金在兩種不同制備方法下的時效析出行為。TB18 （Ti-4.2Al-5V-5Cr-5Mo-1Nb）是近年來開發(fā)的超高強(qiáng)度鈦合金，極限強(qiáng)度可達(dá)1350 MPa。由于超高強(qiáng)度，該合金的強(qiáng)度-塑性權(quán)衡更為突出。與Ti-5553和Ti-17等典型高強(qiáng)度鈦合金相比，Al含量較低，重β穩(wěn)定元素含量較高，時效速度較慢，有利于觀察時效行為。在先前的研究中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過相同熱處理后，LDEDed TB18合金的強(qiáng)度與變形合金相同，但塑性卻遠(yuǎn)低于變形合金，這可能與α條的尺寸和形貌有關(guān)。兩種合金的時效動力學(xué)行為也存在差異。這是一個有趣的現(xiàn)象，對于深入了解和有效控制增材制造高強(qiáng)度鈦合金的顯微組織以獲得目標(biāo)性能至關(guān)重要。

本文旨在揭示LDEDed TB18合金微觀組織的形成機(jī)理。同時對變形TB18合金進(jìn)行了對比研究。仔細(xì)研究了兩種合金在時效過程中的析出行為。為了揭示不同組織的形成機(jī)理，對固溶處理合金進(jìn)行了深入表征和分析。研究結(jié)果可為增材制造超高強(qiáng)度鈦合金的組織調(diào)控和性能提高提供指導(dǎo)。

本文詳細(xì)研究了LDEDed和變形TB18合金的顯微組織、力學(xué)性能和時效行為的差異，并通過固溶處理和時效合金的表征揭示了其機(jī)理。主要結(jié)論是：

（1）LDEDed TB18合金時效過程中α的析出動力學(xué)比變形合金快1 ~ 2 h。在析出過程中，LDEDed合金中主要形成尺寸為10 ~ 20 μm的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，隨著析出的深入，孔隙內(nèi)的區(qū)域逐漸致密化。在變形合金中，首先在晶界處析出，隨后形成長αWGB。鏈?zhǔn)椒磻?yīng)最終生成多尺度α條，并逐漸填滿未沉淀區(qū)。

（2）兩種合金的α條平均寬度相等，而變形合金的α條具有多尺度和更高的長徑比。LDEDed合金時效1 h后強(qiáng)度達(dá)到較高，力學(xué)性能變化不大。而變形合金的力學(xué)性能隨時效過程逐漸變化。

（3）LDEDed合金含有2型變晶界，與主要析出的細(xì)α網(wǎng)狀相對應(yīng)。變形合金的2型邊界較少，3型和6型邊界較多。變形合金中具有相似施密德因子的α條是孤立的，而變形合金中具有相似施密德因子的α條是片層狀的。

（4）在固溶處理的LDEDed合金中，高密度位錯以亞晶界的形式存在。這些邊界富含Cr和O， Mo含量較低。在沉積早期，由于快速循環(huán)加熱和冷卻的劇烈變形和恢復(fù)，它們形成于枝晶間區(qū)。這種特性在溶液處理中保持，直到在1000℃下加熱2小時。

（5）在LDEDed合金中，α條首先在亞晶界析出，這些α和2型取向的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)共同阻礙了新形成的α條的延伸。隨著時效過程，β基體的組成和晶格畸變逐漸發(fā)生變化。在變形合金中，由于有較大的未析出區(qū)，初級α條充分生長，細(xì)α條填充了大α條之間的空隙。析出區(qū)和未析出區(qū)β相的晶格分別等于最終態(tài)和原始態(tài)。

(6）在時效合金的拉伸試驗中，LDEDed合金的位錯在α/β界面處堆積。變形后的合金中，α相和β相均出現(xiàn)位錯，表明兩相的配位變形使合金達(dá)到了良好的強(qiáng)度塑性匹配。

綜上所述，兩種合金的不同時效行為主要是由于固溶處理的LDEDed合金的網(wǎng)狀亞晶界。通過優(yōu)化工藝參數(shù)，進(jìn)一步細(xì)化枝晶，減弱熱沖擊，并采用適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に嚕�可以使LDEDEd高強(qiáng)度鈦合金的顯微組織更有針對性，從而提高其性能。

相關(guān)研究成果以“Abnormal aging behaviors induced by high-density dislocations for an ultra-high-strength titanium alloy prepared by laser-directed energy deposition”發(fā)表在Additive Manufacturing上。

鏈接
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2214860424006055

來源
材料學(xué)網(wǎng) l

北京航空航天大學(xué)《AM》激光定向能沉積超高強(qiáng)度鈦合金，高密度位錯誘發(fā)異常時效行為

(責(zé)任編輯：admin)

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