Materials Research Letters: 不同铝含量钛合金的激光增材制造与塑性提升新策略

小艺 7个月前 (07-05) 1194浏览

一、【导读】

Ti-6Al-4V (Ti64)合金因其具有高强度、低密度、良好的抗疲劳性能、优异的耐腐蚀性能和生物相容性等优点，被广泛应用于航空航天、海洋、汽车、国防、生物医药、发电等行业。近几十年来，人们越来越关注Ti-6Al-4V合金的增材制造。激光粉末床熔融(Laser Powder Bed Fusion，LPBF)是一种用于制造金属部件的增材制造技术。它使用精细的激光束有选择地融合金属粉末床的区域，逐层构建组件。在柱状初生β晶粒内LPBF Ti-6Al-4V (Ti64)具有α′马氏体针状组织分层结构，这与通常在这种商业合金中发现的两相α+β组织(全层状、双模态或完全等轴)有很大不同。与传统制造工艺(如轧制、锻造等)的Ti64相比，LPBF Ti64的加工硬化性、延展性和拉伸塑性较差。这些问题严重限制了LPBF Ti64在具有严格安全标准的航空航天工业中的使用。

二、【成果掠影】

上海交通大学材料科学与工程学院王乐耘团队从钛合金的微观变形机理出发，通过粉末预合金化来调控钛合金中铝元素的含量，设计了Ti-4Al-4V（Ti44）和Ti-8Al-4V（Ti84）两种合金，研究了Al含量对LPBF Ti-xAl-4V合金(x = 4,6,8, wt.%)显微组织和力学性能的影响。结果表明铝含量越高，材料的强度越高。Ti44和Ti84合金均表现出比Ti64更高的加工硬化值和均匀延伸值。这一结果归因于Ti44中多种滑移模式的激活和Ti84中更不均一的微观结构。相关研究成果以“Laser additive manufacturing of titanium alloys with various Al contents”为题发表在国际著名期刊Materials Research Letters上。

三、【核心创新点】

Ti-xAl-4V合金(x = 4,6,8, wt.%)合金强度随Al含量的增加而增加，由于Ti44中多种滑移模式的激活和Ti84中更为异质的微观结构，Ti44和Ti84都比Ti64具有更高的加工硬化和均匀延伸值。

四、【数据概览】

图1 Ti44, Ti64和Ti84的XRD谱图©2023 The Author(s)

图2 Ti44、Ti64和Ti84的显微组织比较。(a)利用(b) α’板条的EBSD反向极图重构初生β相。(c) (b)中黑框的放大图像。(d)三种合金中一次马氏体(primary α′)的板条宽度分布。©2023 The Author(s)

图3 (a−c)Ti44、Ti64和Ti84的明场TEM图像。(d−f)次生马氏体(secondary and ternary α′)板条宽度分布。(g−i) Ti44、Ti64和Ti84不同显微组织示意图。©2023 The Author(s)

图4三种材料的拉伸性能。(a, b) Ti44、Ti64、Ti84试样的应力-应变曲线。(c)三种合金的加工硬化率。(d) Ti44、Ti64和Ti84与文献中其他构建的LPBF Ti64的屈服强度和均匀伸长率值的比较。©2023 The Author(s)

图5 (a) Ti44、Ti64、Ti84的LUR(Loading-unloading-reloading)试验应力-应变曲线。(b)三种合金的第四个磁滞回线。(c) 异质变形诱导应力计算示意图。(d) Ti44、Ti64和Ti84的异质变形诱导应力值演变。©2023 The Author(s)

五、【成果启示】

本文通过LPBF工艺研究了Al含量对Ti-xAl-4V合金(x=4,6,8, wt.%)显微组织和力学性能的影响。Ti44、Ti64、Ti84这三种合金都只含有α′相。每一种合金都呈现出初生β晶粒、一次马氏体(primary α′)、次生马氏体(secondary and ternary α′)板条组成的分层组织。LPBF-Ti44合金的塑性和各向同性明显优于LPBF-Ti64。该合金降低了铝的含量，起到了三个效果：1）α′相内部变形由平面滑移向交滑移转变、2）成型材料显微组织由柱状晶向等轴晶转变、3）次生α′马氏体宽化导致晶界数量进一步减少，这些都有利于材料塑性和各向同性的提升。LPBF-Ti84合金不但屈服强度高于Ti64，加工硬化和均匀延伸率也高于后者。这主要是由于Ti84中次生α՛马氏体尺寸的不均匀分布，所产生的异构组织变形诱导硬化机制所导致的。这一研究通过改变钛合金中常用添加元素铝的含量，得到的合金更适合LPBF工艺，改善了LPBF Ti-6Al-4V拉伸塑性较差的缺点，为相关的新合金设计提供了重要参考依据。

原文链接：

https://doi.org/10.1080/21663831.2023.2165418

本文由小艺撰稿

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