通过高温显微镜开发增材制造钛合金中的超细晶粒结构
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发布时间：2024-10-24 07:06
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时间：2024-10-24 07:16
增材制造技术在金属合金领域有着广泛应用的前景，特别是在钛合金领域。传统技术难以实现的微观结构，如超细晶粒结构，在通过激光粉末床熔融（PBF-LB）制造的Ti-6Al-4V合金中得到了创新的开发。在此背景下，英国诺丁汉大学工程学院增材制造中心、西班牙加泰罗尼亚技术大学（UPC）材料科学与工程系以及英国拉夫堡大学材料系的研究团队，针对PBF-LB技术下形成的以针状α'马氏体为主要微观结构的Ti-6Al-4V合金延展性与韧性的*问题，提出了一种新的途径，旨在形成超细层状α+β结构。
该研究团队建议通过适当的成分修改，尤其是添加铁（Fe），以形成具有高固有扩散率的有效β稳定剂的四元钛合金。通过这一策略，3D打印后的合金展现出了以亚稳β相为主的微观结构，并在后续的显微镜下研究中，利用原位高能同步加速器X射线衍射和高温显微镜，深入探索其微观结构的分解与演化。研究发现，α相的ω辅助成核过程对亚稳β相进行了均匀分解，同时在β相中较早的铁扩散维持了α晶粒生长，这一过程展示了在拉伸性能上的显著优势。
所提出的方法具有创新性，它能够实现超细晶粒α+β层状微观结构的形成，而这不仅能够显著提高钛合金的强度和延展性，而且该方法与特定增材制造设备无关，为高性能合金的开发提供了一种广泛的合金设计策略。
研究团队采用PBF-LB激光束粉末床3D打印技术，结合铁添加剂对Ti-6Al-4V合金的微观结构发展进行深入探讨，并通过一系列的实验验证，揭示了铁在PBF-LB工艺中和后续热处理阶段对微观结构演变的影响。研究显示，通过Ti-6Al-4V+3Fe（质量百分比）的粉末混合物的激光加工和热处理，可以实现亚稳态β相的均匀分解，进而形成超细层状α+β微观结构。结合高能同步加速器X射线衍射和高温显微镜技术的使用，研究者得以精细地观察到这一过程的动态演化。
结论中，原位HEXRD（原位高能同步加速器X射线衍射）和高温显微镜的结合运用，揭示了PBF-LB技术下开发的Ti-6Al-4V-3Fe四元合金中亚稳相的形成机制以及热处理后超细α+β微观结构形成的过程。实验结果发现，这一过程不仅显著提高了合金的机械性能，尤其在强度和延展性上，而且铁在β相中的分布对于获得这些性能至关重要。此外，研究人员指出，热处理后大量β相的存在可以减轻应力集中，从而增强材料的延展性，进一步突显了这一新型微观结构设计在实际应用中的潜在优势。
