金屬頂刊Acta: 增材制造Ti-6Al-4V合金的微觀結構演化過程

【引言】

激光粉床打印出的Ti-6Al-4V合金的微觀結構通常由α' 針狀馬氏體組成，這使得成品的塑性和韌性都較低，極大地限制了材料的工業(yè)應用。通過調節(jié)打印參數，控制增材制造的熱歷史，就能夠在打印過程中直接引入α'→ α+β相變，使得最終的微觀結構演化為片層狀細晶α+β結構。這種結構相比于馬氏體來說，有著更好的強度與塑性結合。因此，了解整個α'→ α+β的結構演化過程對于增材制造出優(yōu)異機械性能的Ti-6Al-4V合金是至關重要的。同時，增材制造過程中的快速熱循環(huán)也給我們創(chuàng)造了觀測這種擴散型相變演化過程的機會。

【成果簡介】

近日，悉尼大學廖曉舟教授（共同通訊作者），Simon Ringer教授（共同通訊作者），第一作者王昊，迪肯大學徐嵬教授，晁琦博士，香港理工大學陳子斌博士 （共同通訊作者）與團隊成員利用透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡、和原子探針發(fā)現了在激光粉床打印鈦鋁釩（Ti-6Al-4V）合金內α'→ α+β相變過程中經歷了一種V富集的六角密堆相 (HCP) 中間過渡結構αHME 的形成。這種非穩(wěn)態(tài)過渡態(tài)雖然有著和α相類似的HCP結構，其化學成分卻更接近于β相。該研究揭示了α'→ α+β的結構演化過程。

研究表明，由于不同打印層數經歷了不同的熱歷史，成品Ti-6Al-4V合金沿著打印方向由不同的微結構組成。微觀結構演化遵循如下順序：α' 針狀馬氏體，微量V元素與Fe雜質元素富集在馬氏體晶界上（頂層），大量V元素與Fe雜質元素富集形成HCP中間非穩(wěn)態(tài)αHME 結構（次頂層），片層狀細晶α+β結構 （底層）。該研究首次揭示了α'→ α+β的兩步分解過程：
1）α'首先分解為片層狀α+αHME結構，兩者都是六角密堆結構。
2）隨著循環(huán)熱載荷的增加，αHME 最終演化為 β相（體心立方結構）。即在此相變過程中，元素擴散發(fā)生在晶格轉變過程之前。該研究成果以“Formation of a transition V-rich structure during the α' to α + β phase transformation process in additively manufactured Ti-6Al-4 V” 為題刊登在Acta Materialia上。

【圖文導讀】

圖1：掃描電鏡數據展示增材制造鈦鋁釩合金樣品中頂層和底層不同的微結構

a)示意圖指出了掃描電鏡樣品和透射電鏡樣品的取樣位置。

b)頂層樣品的掃描電鏡背散射電子像。主要結構為α' 馬氏體，晶粒內部觀測到了大量孿晶。插圖為孿晶的高分辨透射電鏡圖。

c)底層樣品的掃描電鏡背散射電子圖。主要結構為α+β片層結構。顯亮襯度的為β相結構。β相有兩種主要形貌，分別為片層狀與顆粒狀。

圖2：樣品頂層的透射電鏡數據

a) 掃描透射高角環(huán)形暗場像 (STEM-HAADF)與對應的元素分布圖。

b) 元素分布線形分析，展示釩和鐵在晶界處少量富集。

c ）STEM-HAADF圖揭示了偏析處的原子結構與相鄰區(qū)域相同。偏析處因為較高的平均原子序數而展現較亮的襯度

d) 對應的傅里葉衍射花樣沒有展示任何異樣。

圖3：次頂層的透射電鏡數據

a) STEM-HAADF圖與對應的元素分布圖。

b) 元素分布線形分析，展示釩和鐵在條狀結構中大量富集。

c -h) STEM-HAADF圖在三種不同軸態(tài)下的α/αHME界面的原子相解析。表明了αHME是HCP結構，同時擁有與α相不同的晶格常數。

圖3：底層的透射電鏡數據

a) STEM-HAADF圖與對應的元素分布圖。

b) 元素分布線形分析，展示釩和鐵在β相中大量富集。

c) STEM-HAADF圖在α/β界面的原子相解析。揭示了α與β相的位相關系為//and (0001)α//{110}β

文獻鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.118104

來源：材料學網