導(dǎo)讀：通過(guò)增材制造技術(shù)開(kāi)發(fā)細(xì)晶高強(qiáng)度鈦合金引起了人們的興趣。共析元素的加入被證明是一種可行的方法，但共析元素在鈦合金中的固溶性有限，過(guò)量的共析元素加入會(huì)形成脆性的金屬間化合物，從而降低合金的延性。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，本文展示了一種基于熱力學(xué)預(yù)測(cè)的新型多共析元素合金化方法，以實(shí)現(xiàn)鈦合金的細(xì)化組織和高強(qiáng)度，通過(guò)激光定向能沉積，將微量共析合金元素Co、Cr和Ni與Ti-6AI-4V合金協(xié)調(diào)原位合金化。此外通過(guò)操縱共析的空間分布，還制造了一種異質(zhì)結(jié)構(gòu)鈦合金元素。有趣的是，多個(gè)共析元件有助于α′的原位分解，從而帶來(lái)良好的超細(xì)α/β微觀結(jié)構(gòu)。加入共析元素吼，其抗拉強(qiáng)度約為1.34GPa，延性約為5.1%，表明其強(qiáng)度和延性的良好結(jié)合。對(duì)晶粒細(xì)化、變異選擇、強(qiáng)化和增韌的機(jī)理進(jìn)行了深入研究。該研究成果對(duì)于增材制備鈦合金的組織工程和性能提高具有重要的指導(dǎo)意義。

金屬增材制造(AM)是一種先進(jìn)的金屬構(gòu)件近凈成形技術(shù)，在加工幾何復(fù)雜度高、材料、成本和時(shí)間效率高的構(gòu)件方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。激光定向能沉積(LDED)是一種典型的金屬加工技術(shù)，它通過(guò)吹粉或?qū)⒔饘俳z送入激光熔池來(lái)制造零件，使原位合金化具有很高的靈活性，可用于開(kāi)發(fā)新材料或定制商用材料以獲得更好的性能。近年來(lái)，先進(jìn)鈦(Ti)合金的AM因其低密度、優(yōu)越的比強(qiáng)度、高耐蝕性和優(yōu)異的生物相容性，在航空航天和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到了越來(lái)越多的關(guān)注和廣泛的應(yīng)用。然而，由于固有的高熱梯度和極高的冷卻速率，AM處理的Ti合金(如Ti-6Al-4V)普遍表現(xiàn)出粗大的柱狀優(yōu)先β晶粒和針狀馬氏體α組織。粗大的柱狀優(yōu)先β組織和針狀α組織會(huì)強(qiáng)化力學(xué)各向異性，降低塑性，極大地限制了它們的應(yīng)用。

目前人們已經(jīng)提出了誘導(dǎo)AM處理鈦合金柱向等軸轉(zhuǎn)變的幾種方法，包括引入輔助能量場(chǎng)和調(diào)整加工參數(shù)。高強(qiáng)度超聲場(chǎng)可以誘導(dǎo)空化，給LDED加工的Ti-6A1-4V合金帶來(lái)大量的核，從而獲得細(xì)小的等軸prior-β(尺寸約為100 μm)和細(xì)小的α晶粒。然而，在LDED系統(tǒng)中引入輔助場(chǎng)是不具有成本效益的，并且不能推廣用于處理大尺寸元件。在激光粉末床熔合(LPBF)處理Ti-6Al-4V合金中，可通過(guò)操縱加工參數(shù)來(lái)降低溫度梯度，實(shí)現(xiàn)了CET。同樣，在LDED 加工的 Ti–6AI–4V 合金過(guò)程中，通過(guò)定期交替激光功率或掃描速度實(shí)現(xiàn)等軸先β晶粒，盡管在這些實(shí)驗(yàn)中獲得了CET，但實(shí)現(xiàn)了等軸的前β晶粒（通常大于200μm）和α板條相對(duì)粗糙，因?yàn)楣?液界面前面缺乏原子核。

除了整合輔助場(chǎng)或操縱加工參數(shù)外，原位合金化是在AM加工的鈦合金中獲得細(xì)等軸先驗(yàn)β晶粒和細(xì)α’/α相的另一種可行且經(jīng)濟(jì)有效的方法。目前，鈦合金原位合金化的研究主要集中在共析形成元素上，因?yàn)樗鼈兙哂酗@著的晶粒細(xì)化效應(yīng)。幾種共析合金溶質(zhì)(例如Co，Ni,Cu)被加入到添加制造的純Ti和Ti-6AI-4V合金中，以獲得細(xì)化的組織。然而，這些元素的過(guò)量添加必然會(huì)導(dǎo)致脆性共析相的形成，從而降低塑性。通過(guò)LPBF法制備Ti-xNi合金(x = 0.4, 1.6, 3.0 wt%)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Ni含量達(dá)到1.6 wt%時(shí)，形成了脆性共析Ti2Ni相，共析Ti2Ni顯著降低了合金的延性。研究者通過(guò)LDED合成了Ti-xCu合金(x = 3.5, 6.5, 8.5 wt%)，在Ti-8.5 wt% Cu合金中形成了超共析Ti2Cu顆粒，導(dǎo)致塑性較差(~2.1%)。

在本工作中，新加坡制造技術(shù)研究院譚超林研究團(tuán)隊(duì)利用基于熱力學(xué)預(yù)測(cè)的多共析元素合金化策略，開(kāi)發(fā)了一種新的增材制造Ti-6Al-4V CoCrNi合金。此外，考慮到分層材料(如鋼和高熵合金)已被證明具有通過(guò)異質(zhì)變形改善力學(xué)性能的潛力，還通過(guò)操縱共析合金元素(即Co、Cr和Ni)的空間分布，制備了一種新型的分層異質(zhì)結(jié)構(gòu)合金。對(duì)兩種合金的組織和力學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)的表征。此外，還詳細(xì)討論了晶粒細(xì)化、變異選擇、強(qiáng)化和增韌的機(jī)理。目前的工作揭示了通過(guò)多共析元素合金化在增材制造鈦合金中實(shí)現(xiàn)超細(xì)組織和高強(qiáng)度的方法。

考慮到單一共析元素的溶解度有限，本工作研究了一種新的多共析元素合金化策略，充分利用鈦合金中不同共析元素(Co、Cr、Ni)的固溶性，以細(xì)化鈦合金的微觀組織，同時(shí)抑制脆性共析相的形成。采用等原子CoCrNi中熵合金(MEA)粉末，采用LDED方法實(shí)現(xiàn)了Ti-6Al-4V的多共析元素合金化。選擇Ti-6AI-4V和CoCrNi MEA合金是出于以下考慮。Ti-6Al-4V是用于AM的基準(zhǔn)鈦合金，其綜合力學(xué)性能優(yōu)越，印刷性好。然而，由于Al和V溶質(zhì)不能產(chǎn)生有效的本構(gòu)過(guò)冷，該合金通常由粗大的柱狀優(yōu)先β晶粒組成。(ii) CoCrNi MEA中的所有合金元素都是Ti合金的有效晶粒細(xì)化劑和β穩(wěn)定劑。Cr和Ni等元素可以促進(jìn)Ti合金的體質(zhì)過(guò)冷，從而導(dǎo)致AM期間等軸晶粒成核。結(jié)果表明，Co、Cr和Ni的協(xié)同摻入可能有利于實(shí)現(xiàn)精制等軸先β晶粒和細(xì)晶粒增材制造的鈦合金中的α'/α相。

相關(guān)研究成果以題“Additive manufacturing of fine-grained high-strength titanium alloy via multi-eutectoid elements alloying”發(fā)表在國(guó)際期刊Composites Part B:Engineering上。、

鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2022.110399

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