增材制造鈦合金馬氏體相變機(jī)理研究尚無共識，對顯微/納米結(jié)構(gòu)演變（馬氏體相分解）的深刻理解至關(guān)重要。本研究首次提出了一種新的相變機(jī)理：通過熱處理過程中元素濃度變化逐步置換晶格中的 Al, V和Ti原子。這不僅可以優(yōu)化增材制造后處理，設(shè)計用于3D打印的新型鈦合金提供了理論基礎(chǔ)。

增材制造（AM）在航空，醫(yī)療設(shè)備和汽車等行業(yè)中變得越來越重要，因為增材制造在所有近凈成形工藝中是凈成形水平最高的工藝。鈦合金Ti-6Al-4V（Ti64）由于其耐腐蝕性，生物相容性，高比強(qiáng)度，優(yōu)異的機(jī)械性能和斷裂韌性而成為增材制造中的首選材料之一。在基于激光的獨特AM系統(tǒng)中，熔融層的冷卻速率極高（約103-108K/s），合金將形成具有密排六方（HCP）晶體結(jié)構(gòu)的亞穩(wěn)定針狀馬氏體相，而常規(guī)處理（冷卻速率0.5K/s）將產(chǎn)生典型的α+β（平衡）結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致增材制造的合金具有出色的疲勞性能。大多數(shù)研究集中在基于合金的微觀結(jié)構(gòu)了解不同的熱處理周期對機(jī)械性能的影響。關(guān)于馬氏體相變機(jī)理的總體研究尚無共識，因此對顯微/納米結(jié)構(gòu)演變（馬氏體相分解）的深刻理解至關(guān)重要，以便優(yōu)化在增材制造Ti-6Al-4V合金上應(yīng)用的熱處理工藝。

愛爾蘭都柏林大學(xué)的一項研究通過高溫原位XRD和TEM分析，觀察了增材制造的Ti64合金的應(yīng)力松弛和相變機(jī)理。相關(guān)論文于以題為“Mechanism of stress relaxation and phase transformation in additively manufactured Ti-6Al-4V via in situ high temperature XRD and TEM analyses”發(fā)表在Acta Materialia。

論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.02.056

經(jīng)過1000℃的高溫原位實驗發(fā)現(xiàn)，Ti64晶格逐漸膨脹并伴隨著內(nèi)部殘余應(yīng)力的釋放和α'（馬氏體）→α+β（平衡）轉(zhuǎn)變。雖然α平衡相的理論晶格參數(shù)為a=2.935?和c=4.685?，但XRD分析結(jié)果表明，初始馬氏體晶體結(jié)構(gòu)具有分別對應(yīng)于（0101）和（0111）平面的a=2.933?和c=4.655?的晶格參數(shù)。說明馬氏體和平衡α具有非常相似的晶格參數(shù)，但是馬氏體相是稍小的壓縮晶格結(jié)構(gòu)。

實驗觀察到當(dāng)合金從25℃加熱到400℃時發(fā)生晶格的應(yīng)力松弛，而沒有出現(xiàn)任何相變。高于400℃，α'（馬氏體）→α+β（平衡）相變是逐步發(fā)生的。XRD和TEM結(jié)果均表明晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了轉(zhuǎn)變，而隨著α'馬氏體逐漸分解，α（平衡）和α'（馬氏體）共存。

原位TEM分析中使用的不同加熱速率顯示出對晶格膨脹機(jī)理的直接影響。較低的加熱速率樣品（100℃/min）顯示出逐步膨脹，這是由于加熱期間在特定的轉(zhuǎn)變溫度下停留時間較長，而在較高的加熱速率（200℃/min）樣品中未觀察到這種機(jī)理。此外，觀察到hcp晶體的a和c晶格參數(shù)在500-700℃之間線性增加，這是由于原子半徑為143 pm（Al）和135 pm（V）的這些原子的擴(kuò)散，以及它們被Ti原子取代（147 pm），導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)在700℃完全轉(zhuǎn)變?yōu)?alpha;+β（平衡）。由于晶格的熱膨脹，在此溫度以上加熱導(dǎo)致a和c晶格參數(shù)進(jìn)一步增加，同時保持c/a比幾乎不變。

圖1 不同溫度下合金的原位XRD分析

圖2 不同溫度下合金的TEM圖像（a）25℃;（b）550℃；（c）600℃

圖3 不同溫度下合金的TEM圖像（a）25℃;（b）650℃；（c）700℃

圖4 不同溫度下晶格變化示意圖

總的來說，本研究首次提出了一種相變機(jī)理（For the first time, a mechanism of phase transformation is proposed），該相變機(jī)理是通過熱處理過程中元素濃度變化逐步演變進(jìn)行的，導(dǎo)致晶格中的 Al, V和Ti原子逐步置換。這不僅可以優(yōu)化增材制造Ti64合金的后處理，而且還可以為設(shè)計用于3D打印的新型鈦合金提供理論基礎(chǔ)。