天津大学《AM》：强韧性协同提升！增材制造B微合金化Ti-6Al-4V合金

2021-03-04 09:52:57 作者：材料学网来源：材料学网分享至：

导读：为了平衡Ti-6Al-4V合金的强度和塑性，本文采用基于冷金属转移（CMT）技术的电弧增材制造（WAAM）原位合成了循环梯度分布的TiB晶须，作为Ti-6Al-4V合金的增强相。添加0.05 wt.%B的Ti-6Al-4V合金的抗拉强度达到1089 MPa，比直接沉积的Ti-6Al-4V合金高17%，延伸率保持在8%。TiB晶须的晶粒细化和循环梯度分布导致了强度和塑性的协同提高。当硼含量为0.15 wt.%时，沉积合金的拉伸强度达到1178 MPa，延伸率降至5.2%，这是由于沿β晶界形成准连续TiB晶须。

Ti-6Al-4V （Ti64）合金因其具有高强度-重量比、良好的抗疲劳性能和优异的耐腐蚀性能，被广泛应用于航空航天、汽车、生物医药等行业。近几十年来，人们越来越关注Ti-6Al-4V合金的增材制造（AM）。然而，基于熔融的AM工艺存在温度梯度和多次高温热循环，导致了大柱状初生β-Ti晶粒的形成。大柱状初生晶粒的存在通常导致沉积态合金的力学性能较差且具有高度的各向异性。通过多种方法调控增材制造钛合金的显微组织，包括热处理、热锻、超声喷丸处理和元素合金化等方法。其中，添加合金元素是细化钛合金组织的最有效方法之一。有报道称，在钛合金中添加硼、硅、镧和钴等元素可以细化凝固过程中的初生β晶粒。硼添加剂由于与钛具有良好的化学亲和力，能形成TiB相，界面清晰，因而得到了广泛的研究。

值得注意的是，加入B后原位形成均匀分散的TiB晶须可提高钛合金的强度，但降低了沉积合金的塑性。为了解决这个问题，在基体中形成非均匀分布的强化相可能是一种有效的方法。然而，对于强化相的分布特性及其对增材制造钛合金的力学性能的影响研究很少。

为了平衡Ti64合金的强度和塑性，天津大学杨振文等人设计了循环梯度分布的TiB晶须作为电弧增材制造Ti64合金的强化相。在快速非平衡凝固过程中，TiB晶须的不均匀分布是由合金元素的偏析引起的宏观偏析造成的。实验验证了利用CMT-WAAM制备TiB晶须分布不均匀的Ti64合金的可行性，添加0.05 wt.%B的Ti-6Al-4V合金的抗拉强度达到1089 MPa，比直接沉积的Ti-6Al-4V合金高17%，延伸率保持在8%。TiB晶须的晶粒细化和循环梯度分布导致了强度和塑性的协同提高。相关研究成果以“Balance of strength and plasticity of additive manufactured Ti-6Al-4V alloy by forming TiB whiskers with cyclic gradient distribution”发表在期刊“Additive Manufacturing”

论文链接

https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.101883

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添加微量B显著细化了柱状初生β晶，原位合成了TiB晶须，其数量从单个沉积层的底部逐渐增加到顶部。随着B含量的增加，TiB晶须由分散分布在钛基体中逐渐演变为沿初生β晶界形成的项链状准连续结构。根据TiB晶须的分布特征，从沉积层的底部到顶部可以区分出粗等轴晶、树枝晶和细等轴晶3种初生β晶粒形貌。

图1 CMT-WAAM工艺及试样示意图：

（a）设备设置；（b）添加硼的沉积工艺；（c）拉伸试样；（d）试样位置

图2 （a）Ti64和Ti64-0.05B的XRD谱图和（b）沉积Ti64和Ti64-0.05 b的断面微观结构。

图3 Ti64-0.05B合金沉积层中不同位置的SEM图像

图4 沉积Ti64-0.05B合金的TEM分析：

（a）原位合成TiB的亮场TEM图像；（b，c）α-Ti和TiB的选区电子衍射图；（d）在α板条上的元素分布，（e）高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）观察TiB/Ti界面。

在添加硼后，HABs位于相邻沉积层之间，这是由于缺少TiB晶须和粗化带的存在。粗化带的形成机制是不完全共晶反应。合金组织的细化和TiB晶须的梯度分布改善了沉积合金的力学性能。其中，Ti64-0.05合金的抗拉强度达到1089 MPa，比Ti64合金提高了17%，延伸率保持在8%，但没有明显降低。随着硼的加入，拉伸强度增加，延性降低。