增材制造技术新应用！在钛合金中实现全等轴细小β晶粒-报道

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导读

文中通过在激光定向能沉积(DED)的凝固和随后的热循环过程中协同控制β晶粒，以及溶液+淬火热处理获得具有传统晶内组织(α-Ti+β-Ti)的细小等轴β晶粒。热处理后的Ti6Al4V3Ni0.05B的强度和塑性均优于已报道的新型DED钛合金，与DED Ti6Al4V相当。该发现为增材制造钛合金的晶粒组织控制和成分设计提供了新的思路。

增材制造(AM)为零件的近净成形和灵活设计提供了一种有前景的方法。钛合金是在增材制造中应用最成熟的合金之一。然而，AM固有的高冷却速率和高热梯度往往在Ti中沿沉积方向产生粗柱状β晶粒和长达数厘米的连续晶界α相，导致其力学性能具有明显的各向异性，并且具有较差的低周疲劳性能。因此，实现细小等轴β晶粒是制造高质量增材制造钛合金零件的必要条件。

一般情况下，在较大的本构过冷(CS)条件下，AM钛合金更容易获得细小等轴β晶粒，因为较大的本构过冷既有利于柱状向等轴转变(CET)，又限制了凝固过程中晶粒的长大。此外，CS区的发展速度与生长限制因子Q值成正比。因此，具有较大归一化生长限制因子的元素被优先选择作为AM Ti合金的合金元素。如在Ti和Ti6Al4V中加入快析元素Cu和Ni，在相对较低的沉积效率(<2 g/min)下通过激光定向能沉积(DED)获得了完全细小等轴的β晶粒。然而，共晶相对钛合金的延展性不利，因此必须考虑快速共晶元素的添加量。显然，在传统的沉积效率(6～12 g/min)下，在AM钛合金中获得具有(α+β)两相组织的等轴细晶粒仍然是一个挑战。

在凝固和随后的热循环过程中，晶粒组织的协同控制是AM钛合金获得等轴细小β晶粒的关键。近日，西北工业大学联合加泰罗尼亚理工大学的研究团队选择低含量Ni和微量B作为定向能量沉积（DED）Ti6Al4V的合金元素，在凝固和随后的热循环过程中协同控制二者的β晶粒结构。采用试验观察和有限元热模拟相结合的方法，研究了凝固和热循环后DED Ti6Al4VxNiyB中β晶粒的形貌和尺寸，并对其拉伸性能及其各向异性进行了分析。相关研究成果以题为“Achieving fully-equiaxed fine β-grains in titanium alloy produced by additive manufacturing”发表于期刊《Materials Research Letters》。

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结果表明，由于Ni的成分过冷性显著增强，在Ti6Al4V3Ni和Ti6Al4V3Ni0.05B中均获得了完全等轴的β晶粒。与Ti6Al4V3Ni相比，Ti6Al4V3Ni0.05B的粒度首先减少了∼50%，这是在初始凝固由Ni和B的协同作用造成的较大的Q值引起的，然后，由于微量B增加了晶粒粗化指数和活化能，热循环过程中的晶粒粗化程度进一步降低了~ 50%。这也首次揭示了通过在凝固的等轴晶粒中加入Ni和B可以实现1 + 1 >2的晶粒细化效果。

同时，微量B在再次热循环和凝固过程中对β晶粒的细化也起着同样重要的作用。热处理后的Ti6Al4V3Ni0.05B合金具有细小的全等轴β晶粒和晶内组织(α-Ti+β-Ti)，其强度和塑性大幅提高，甚至可以与DED Ti6Al4V相媲美。该发现为增材制造钛合金的晶粒组织控制和成分设计提供了新的思路。

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