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增材頂刊《AM》：增材制造無偏析缺陷高強(qiáng)度β-鈦合金！

2021-01-26 10:34:29 作者：本網(wǎng)整理來源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

導(dǎo)讀：偏析缺陷，稱為β-斑點(diǎn)，長期以來一直影響亞穩(wěn)態(tài)β-鈦合金的廣泛應(yīng)用。這些缺陷是在鉻等β-穩(wěn)定溶質(zhì)偏析產(chǎn)生局部相不穩(wěn)定性時形成的，這對合金的時效響應(yīng)和力學(xué)性能是有害的。本文探討了增材制造是否是防止在Beta-C合金（Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr）中形成這些缺陷的可行方法。盡管觀察到在沉積表層時最初會形成β斑點(diǎn)，但隨后的每個新層和熱循環(huán)都會促進(jìn)合金元素的固態(tài)擴(kuò)散，從而有效地修復(fù)偏析缺陷。因此，增材制造是生產(chǎn)無此缺陷的高質(zhì)量亞穩(wěn)態(tài)β-鈦合金的有希望途徑。

長期以來，亞穩(wěn)態(tài)β-鈦合金已用于航空航天和醫(yī)療應(yīng)用，與α+β合金相比，它們需要更高的機(jī)械性能。Ti-13V-11C-3Mo（也稱為B120VCA），Ti-10V-2Fe-3Al，β-21S（Ti-15Mo-3Al-3Nb-0.2Si）和Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr（ Beta-C）因其高的比強(qiáng)度或有利的熱性能而在航空器的各種應(yīng)用中都是可時效的亞穩(wěn)態(tài)β合金。當(dāng)從高于β-轉(zhuǎn)變溫度的溫度快速冷卻時，亞穩(wěn)態(tài)β-Ti合金會保留主要為β體心的立方（bcc）晶相，通常不會形成α‘馬氏體。在低于β-轉(zhuǎn)變的時效過程中，α-六角形密堆積（hcp）相或中間亞穩(wěn)相ω或β’沉淀并促進(jìn)進(jìn)一步硬化。雖然亞穩(wěn)態(tài)β合金通常比α+β合金貴，但如果實(shí)現(xiàn)了性能提升，它們可能是增材制造的有吸引力的候選者，因?yàn)榕c傳統(tǒng)的鍛造+相比，較低的采購與銷售比率將抵消部分較高的材料成本。

亞穩(wěn)態(tài)β-Ti合金包含β穩(wěn)定合金元素，例如Cr，F(xiàn)e，V，Mo，Nb 。如果這些β穩(wěn)定溶質(zhì)的分配系數(shù)小于或大于1，則它們在凝固過程中會偏析。溶質(zhì)偏析可以產(chǎn)生過冷，從而細(xì)化晶粒尺寸并促進(jìn)等軸晶粒的形成，有利于晶粒尺寸和織構(gòu)的控制。但是，凝固后，偏析的β穩(wěn)定溶質(zhì)會在整個微結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生化學(xué)不均勻性，從而導(dǎo)致相穩(wěn)定性的局部變化，如果對合金進(jìn)行熱處理，則會導(dǎo)致時效響應(yīng)發(fā)生變化。這種偏析缺陷被稱為β-斑點(diǎn)（或雀斑），并且不利于Ti合金的機(jī)械性能。

增材制造（AM）有兩個固有的優(yōu)勢，可以在生產(chǎn)亞穩(wěn)態(tài)β-Ti合金時限制β斑點(diǎn)形成。首先，快速凝固速度將限制溶質(zhì)偏析的規(guī)模，因?yàn)榭炖鋾a(chǎn)生小的二次枝晶臂間距。其次，增材制造的獨(dú)特高溫?zé)嵫h(huán)特性可以促進(jìn)任何形式的細(xì)分散溶質(zhì)團(tuán)簇（β斑點(diǎn)）的原位化學(xué)成分均質(zhì)化。

基于此，澳大利亞昆士蘭大學(xué)M.J.Bermingham教授團(tuán)隊(duì)研究了增材制造過程中亞穩(wěn)態(tài)β-Ti合金Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr（Beta-C）中的β斑點(diǎn)的形成，并確定沉積新層時的重復(fù)熱擾動是否有助于消除這種缺陷。選擇Beta-C是因?yàn)槠溷f當(dāng)量約為16，同時還包含6 wt％的Cr，這是一種已知的形成β斑點(diǎn)的溶質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)電弧增材制造（WAAM）期間的熱循環(huán)并未完全使合金均勻化，并且殘留了一些偏析，但是經(jīng)過7個熱循環(huán)后，溶質(zhì)變化減少了60-75％，這足以治愈β斑點(diǎn)，并且不會導(dǎo)致合金的時效響應(yīng)發(fā)生實(shí)質(zhì)性變化。研究成果以題“Eliminating segregation defects during additive manufacturing of high strength β-titanium alloys”發(fā)表在增材制造頂刊Additive Manufacturing上。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.101855

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研究發(fā)現(xiàn)β-C中存在的β穩(wěn)定溶質(zhì)（例如Cr）在AM期間易于分離，并發(fā)現(xiàn)在組件的頂層形成β斑點(diǎn)。特別是，在外延生長的柱狀枝晶之間的富含Cr溶質(zhì)的枝晶間區(qū)域中形成大的β斑點(diǎn)，這引起α相的非均勻時效響應(yīng)。

圖1。使用熱電偶和非接觸式紅外高溫計(jì)進(jìn)行溫度測量的示意圖，高溫計(jì)固定在WAAM組件的相對位置，以在割炬通過時測量新沉積層的實(shí)時溫度。

圖2。增材制造的樣品的宏觀結(jié)構(gòu)（a）已建成；（b）熱處理（在550°C下老化24小時）以沉淀出α相并顯示出β斑點(diǎn)的存在。

對于WAAM期間的每個新層，相關(guān)的熱循環(huán)會重新加熱先前沉積的層，并促進(jìn)固態(tài)擴(kuò)散和溶質(zhì)元素的重新分布。在短短一個新的熱循環(huán)后，β斑點(diǎn)就顯著減少，但溶質(zhì)再分布的增加又增加了一層，并且在另外四次熱循環(huán)后，β斑點(diǎn)得以有效治愈。

圖3。添加劑制造的Beta-C頂層β斑點(diǎn)的光學(xué)（ab）和SEM（cf）圖像。可以通過反向散射SEM揭示的原子對比以及這些區(qū)域中α相的明顯減少來識別β斑點(diǎn)。