增材(cai)制造是一(yi)項(xiang)革命(ming)性的(de)(de)(de)(de)技術，為零部件的(de)(de)(de)(de)近凈(jing)成形和(he)(he)(he)靈活設計提供了一(yi)種(zhong)有前景的(de)(de)(de)(de)方法。鈦基合(he)金是應用于AM工藝的(de)(de)(de)(de)最成熟的(de)(de)(de)(de)合(he)金之(zhi)一(yi)，并且AM鈦合(he)金零件具(ju)有與鍛件相當的(de)(de)(de)(de)靜載力學性能。然(ran)而(er)(er)，AM固有的(de)(de)(de)(de)高(gao)冷卻(que)速率和(he)(he)(he)高(gao)溫(wen)度梯度通常(chang)會在(zai)鈦合(he)金中產生沿沉(chen)積方向外延(yan)生長的(de)(de)(de)(de)粗(cu)大(da)柱(zhu)狀β晶(jing)(jing)粒和(he)(he)(he)長達幾(ji)厘米的(de)(de)(de)(de)連(lian)續(xu)晶(jing)(jing)界α相，從而(er)(er)導致明顯的(de)(de)(de)(de)機械(xie)性能各(ge)向異(yi)性和(he)(he)(he)較差的(de)(de)(de)(de)低周(zhou)疲(pi)勞(lao)性能，這極大(da)地限制了AM的(de)(de)(de)(de)鈦合(he)金零件的(de)(de)(de)(de)廣泛應用。因此(ci)，非常(chang)期(qi)望在(zai)AM的(de)(de)(de)(de)鈦合(he)金中獲(huo)得(de)細等軸的(de)(de)(de)(de)β晶(jing)(jing)粒。

本文選擇(ze)低(di)含(han)量Ni和微量B做為DED的(de)Ti6Al4V的(de)合(he)金化元素(su)，在(zai)(zai)凝(ning)固和隨(sui)后(hou)的(de)熱循(xun)環中(zhong)協同控制(zhi)β晶粒(li)(li)。結合(he)實驗觀察(cha)和有限元熱模(mo)擬，分(fen)別研(yan)究了DED的(de)Ti6Al4VxNiyB在(zai)(zai)凝(ning)固和后(hou)續熱循(xun)環期間的(de)β晶粒(li)(li)形態(tai)和尺寸(cun)。此外，還分(fen)析了拉伸性能及其各向異性。相(xiang)關研(yan)究成果以題(ti)“Achieving fully-equiaxed fine β-grains in titanium alloy produced by additive manufacturing”發(fa)表在(zai)(zai)期刊Materials Research Letters上。

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//doi.org/10.1080/21663831.2022.2115323

圖1給出了Ti6Al4VxNiyB鈦合金頂部的(de)(de)β晶(jing)粒(li)及其(qi)形成機理示意圖。Ti6Al4V的(de)(de)最后一(yi)層(ceng)由柱狀晶(jing)和(he)等(deng)軸晶(jing)組成，而Ti6Al4V3Ni和(he)Ti6Al4V3Ni0.05B的(de)(de)顯微組織則是(shi)全等(deng)軸β晶(jing)粒(li)。與Ti6Al4V相(xiang)比，Ti6Al4V3Ni和(he)Ti6Al4V3Ni0.05B的(de)(de)最后一(yi)層(ceng)的(de)(de)等(deng)軸晶(jing)平均尺寸分(fen)別減小了48%和(he)69%，達到(dao)111μm和(he)65μm。與Ti6Al4V3Ni相(xiang)比，Ti6Al4V3Ni0.05B沉積(ji)件(jian)獲得了一(yi)個更大的(de)(de)含有(you)更細等(deng)軸晶(jing)的(de)(de)區域。

圖(tu)1. Ti6Al4VxNiyB頂(ding)部的(de)β晶粒(li)和最后一層的(de)初(chu)始凝固機制。(a,d) Ti6Al4V; (b,e) Ti6Al4V3Ni; (c,f) Ti6Al4V3Ni0.05B; (g) 晶粒(li)尺寸d0與1/Q的(de)關系圖(tu)。TE是平衡(heng)液相溫度，?Tn是形核的(de)臨界過冷(leng)度）

圖2給出了Ti6Al4V3Ni和Ti6Al4V3Ni0.05B沉積件中部的微觀組織。相應地，β-晶粒的平均尺寸d分別為624μm和207μm；β-晶粒粗化程度m（m=d/d0）分別為5.6和3.2。值得注意的是，只有0.05wt%的B確實將Ti6Al4V3Ni0.05B的m降低到接近Ti6Al4V3Ni的一半，使Ti6Al4V3Ni0.05B的d顯著減少約67%。當沉積第n層附近的后續沉積層時，只有相鄰的幾個再加熱的高溫熱循環（Tβ

圖2.激光立體成形Ti6Al4V3NiyB沉積件中部的β晶粒及模擬的晶粒尺寸和粗化程度：(a) Ti6Al4V3Ni和(b) Ti6Al4V3Ni0.05B; (c) β-晶粒尺寸和粗化程度m; (d) 預測的d0VS m (e) Ti6Al4V3Ni和(f) Ti6Al4V3Ni0.05B中模擬的△di, d=d0+Σ△di, △Mi和M=Σ△Mi與熱循環次數（Tβ

圖3. 在Ti6Al4VxNiyB沉(chen)積(ji)(ji)件(jian)中部(bu)的微(wei)觀(guan)組織。沉(chen)積(ji)(ji)態(tai)：（a）Ti6Al4V，（b）Ti6Al4V3Ni，和（c）Ti6Al4V3Ni0.05B，（d）熱處(chu)理的Ti6Al4V3Ni0.05B

如圖3所示，與Ti6Al4V相比，Ni的添加產生了Ti2Ni（139nm），并減小了Ti6Al4V3Ni中α板條的長寬比。對于Ti6Al4V3Ni0.05B，除了在α板條之間有大量的Ti2Ni，還形成了一些TiB相，α板條被細化。對于熱處理后的Ti6Al4V3Ni0.05B，Ni幾乎完全固溶在β基體中，形成（α-Ti+β-Ti）的微觀組織，并有少量殘留的Ti2Ni（<0.01vol.%）。

如圖(tu)4a所(suo)(suo)示，與Ti6Al4V相比，沉積態的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)Ti6Al4V3Ni和(he)(he)(he)(he)Ti6Al4V3Ni0.05B的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)屈服強(qiang)(qiang)度（YS）和(he)(he)(he)(he)極(ji)限抗拉強(qiang)(qiang)度（UTS）都有(you)所(suo)(suo)提高，而斷(duan)裂伸(shen)長率（EL）有(you)所(suo)(suo)下降。這歸(gui)因(yin)于Ti2Ni的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)強(qiang)(qiang)化(hua)(hua)和(he)(he)(he)(he)脆化(hua)(hua)作用。與Ti6Al4V3Ni相比，沉積態的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)Ti6Al4V3Ni0.05B的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)所(suo)(suo)有(you)YS、UTS和(he)(he)(he)(he)EL都得到了改(gai)善，特別是縱(zong)向(xiang)EL增加了約3.4倍（2.1%）。這可(ke)能是由于較細(xi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)等軸(zhou)晶粒和(he)(he)(he)(he)α板(ban)條引起的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)相對分(fen)散的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)Ti2Ni的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)不利(li)影響被削弱。在對Ti6Al4V3Ni0.05B進行熱(re)處理(li)后，在沒(mei)有(you)機械各向(xiang)異性的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)情況下，EL明(ming)顯增加，UTS也略微提高（橫向(xiang)：6.87%，1231Mpa；縱(zong)向(xiang)：6.97%，1230Mpa）（圖(tu)4（a）和(he)(he)(he)(he)（c））。EL的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)明(ming)顯增強(qiang)(qiang)歸(gui)因(yin)于Ti2Ni的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)幾乎完全消失(shi)，這有(you)利(li)于位錯的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)移動和(he)(he)(he)(he)不同相的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)協調變形(xing)。UTS的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)改(gai)善是由于更細(xi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)α-板(ban)條的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)強(qiang)(qiang)化(hua)(hua)和(he)(he)(he)(he)Ni的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)固(gu)溶(rong)強(qiang)(qiang)化(hua)(hua)。

如圖4b所示，與DED制造(zao)的(de)(de)(de)(de)Ti-Cu合金相(xiang)比，熱(re)處理的(de)(de)(de)(de)Ti6Al4V3Ni0.05B的(de)(de)(de)(de)機械(xie)性(xing)能(neng)表現出更高的(de)(de)(de)(de)強度，且塑性(xing)相(xiang)當(dang)。與DED的(de)(de)(de)(de)Ti6Al4V相(xiang)比，熱(re)處理后的(de)(de)(de)(de)Ti6Al4V3Ni0.05B的(de)(de)(de)(de)YS明顯(xian)更高，EL介(jie)于Ti6Al4V的(de)(de)(de)(de)橫向(xiang)(xiang)和(he)縱(zong)向(xiang)(xiang)EL之間(jian)。同(tong)時(shi)，熱(re)處理后的(de)(de)(de)(de)Ti6Al4V3Ni0.05B的(de)(de)(de)(de)綜合拉伸性(xing)能(neng)與ASTM標(biao)準中的(de)(de)(de)(de)鑄(zhu)造(zao)和(he)鍛(duan)造(zao)Ti6Al4V相(xiang)當(dang)。

圖4. Ti6Al4VxNiyB合金的(de)機械性(xing)能：(a) 代表(biao)性(xing)的(de)工程應(ying)力(li)-應(ying)變曲線，(b)熱處(chu)理的(de)Ti6Al4V3Ni0.05B的(de)拉伸(shen)性(xing)能與DED的(de)Ti-Cu和Ti6Al4V以及ASTM標準(zhun)的(de)Ti6Al4V相(xiang)當，(c) 各(ge)向異性(xing)。

綜(zong)上所(suo)述(shu)，通過(guo)(guo)在(zai)凝固和(he)(he)后續熱(re)(re)循(xun)環期間協同(tong)控(kong)制β晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)，以及(ji)固溶+淬火(huo)熱(re)(re)處理(li)，本(ben)文獲(huo)得(de)了(le)(le)一種在(zai)AM鈦合金中(zhong)實現完全(quan)等(deng)軸(zhou)(zhou)細(xi)小β晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)并具有良好綜(zong)合拉伸性能(neng)的(de)(de)合金設計(ji)方法。由(you)于(yu)Ni顯著(zhu)增大了(le)(le)成分過(guo)(guo)冷(leng)，在(zai)Ti6Al4V3Ni和(he)(he)Ti6Al4V3Ni0.05B中(zhong)都獲(huo)得(de)了(le)(le)全(quan)等(deng)軸(zhou)(zhou)的(de)(de)β晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)。與Ti6Al4V3Ni相比，Ni和(he)(he)B的(de)(de)協同(tong)作(zuo)用使(shi)Ti6Al4V3Ni0.05B凝固獲(huo)得(de)的(de)(de)晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)尺寸減(jian)少了(le)(le)~50%；由(you)于(yu)微量B增加了(le)(le)晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)粗化(hua)(hua)指(zhi)數(shu)和(he)(he)激活能(neng)，熱(re)(re)循(xun)環期間的(de)(de)晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)粗化(hua)(hua)程度進一步(bu)減(jian)少~50%。這首次揭示了(le)(le)通過(guo)(guo)復合添加Ni和(he)(he)B可以在(zai)凝固的(de)(de)等(deng)軸(zhou)(zhou)晶(jing)(jing)(jing)(jing)中(zhong)實現1+1>2的(de)(de)晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)細(xi)化(hua)(hua)效果，并且微量B在(zai)再熱(re)(re)循(xun)環和(he)(he)凝固期間對(dui)β晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)的(de)(de)細(xi)化(hua)(hua)起著(zhu)同(tong)等(deng)重要的(de)(de)作(zuo)用。細(xi)小的(de)(de)全(quan)等(deng)軸(zhou)(zhou)β晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)和(he)(he)晶(jing)(jing)(jing)(jing)內的(de)(de)（α-Ti+β-Ti）微觀(guan)組(zu)織(zhi)使(shi)得(de)熱(re)(re)處理(li)后的(de)(de)Ti6Al4V3Ni0.05B的(de)(de)強度和(he)(he)塑性都有所(suo)提(ti)高，與DED的(de)(de)Ti6Al4V相當。這些發現為AM鈦合金的(de)(de)晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)組(zu)織(zhi)控(kong)制和(he)(he)成分設計(ji)提(ti)供了(le)(le)重要的(de)(de)指(zhi)導。