《J Mater Sci》增材制造α'馬氏體的分解機理！

來源：材料科學網(wǎng)

鈦合金具有極高的比強度，使其成為航空航天工業(yè)的關鍵材料。其中Ti-6Al-4V（TC4）是使用最廣泛的合金。增材制造（AM）是制造結構材料的一種流行的加工技術，在鈦合金上也得到應用。在開發(fā)模型以預測增材制造過程中的微觀結構時，了解微觀結構的演變至關重要。在常規(guī)制造方法下的Ti-6Al-4V相變過程已比較明確，但增材制造工藝的特點是具有急劇的溫度梯度，快速的冷卻速率和多個熱循環(huán)，從而在構造方向上形成了漸變的微觀結構，對于Ti-6Al-4V在增材制造時的相變過程仍有爭議。

美國橡樹嶺國家實驗室和田納西大學聯(lián)合研究了連續(xù)熱循環(huán)下α'馬氏體的分解機理，發(fā)現(xiàn)α'馬氏體的分解是通過剪切相變發(fā)生的，β相不是擴散產(chǎn)物，不同強度的熱循環(huán)將導致O和V元素的分配比例不同。相關論文以題為“On the potential mechanisms of β to α'+β decomposition in two phase titanium alloys during additive manufacturing: a combined transmission Kikuchi diffraction and 3D atom probe study”于2月1日發(fā)表在Journal of Materials Science。

論文鏈接：https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs10853-019-03984-w

作者選用電子束熔化和激光定向能量沉積（DED）兩種增材制造技術進行研究，雖然這兩種技術處理條件不同，但會產(chǎn)生相似的微觀結構，兩種技術的不同在于電子束熔化需要將樣品預熱至600℃，DED沒有預熱。兩種試樣的顯微組織均是籃式組織（α+β）。通過透射菊池衍射和3D原子探針兩種手段對相變過程進行分析。原子探針分析發(fā)現(xiàn)β相中V含量較高，α相中富含Al而少V，大量的氧優(yōu)先偏析到α-Ti以及β相中。

圖1 兩種技術制造的樣品微觀結構和APT樣品

圖2 DED樣品的3D原子圖

圖3 DED樣品中α/β界面和α/β等值面的接近度直方圖

圖4 電子束熔化樣品的3D原子圖

圖5 電子束熔化樣品中α/β界面和α/β等值面的接近度直方圖

研究發(fā)現(xiàn)在增材制造過程中，第一層凝固過程為L→β→α'+部分β，固相β→α'轉變涉及大量能量和形狀變化。為了達到應變能最小化，將通過轉變體的自適應或轉變體的自催化成核來進行轉變。β→α'轉變始終遵循Burgers取向關系。在加熱速率加快而進行的再加熱過程中，相變產(chǎn)物極有可能不會完全轉變?yōu)棣孪?，所以?馬氏體相變的晶體學得以保留。在熱循環(huán)誘導的擴散過程中可能會發(fā)生分區(qū)，且冷卻速率會降低。

在沉積第一層中，微觀結構基本上為α'+部分β。在后續(xù)層的沉積過程中，β相的份額會通過V原子在α'/β界面上的分配而緩慢增加，從而導致界面的增長。通過THERMOCALC和DICTRA計算后得知，溫度范圍為870–900K內，溫度越低，β相中的V含量越高，這表明轉化發(fā)生在較低的溫度下，導致β相中的V增加。隨著熱循環(huán)的增加O更多的分配到β相中。

圖6 DICTRA模擬α'+β在600℃回火不同時間的元素變化

圖7 Thermocalc模擬α和β相中合金元素濃度隨溫度的變化

綜上所述，作者研究了在連續(xù)熱循環(huán)下α'馬氏體的分解機理，α/β相變是通過剪切相變而發(fā)生的；氧的分配比隨熱循環(huán)強度的增加而增加；電子束熔化的樣品中，V的分配比例明顯更高。本項研究為后續(xù)建立增材制造相關模型提供了理論基礎。