《Science》: 采用增材制造的濃度調制先進鈦合金的現場設計
時間：2021-11-06 09:25 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
增材制造是一項革命性的技術，為材料加工和設計提供了不同的途徑。然而，如果沒有協同組合，新材料或新加工技術的創新很少能成功。本研究展示了一種原位設計方法，通過激光粉末床熔合來制備空間調制濃度的合金。研究人員發現，兩種不同合金熔體——Ti-6Al-4V和少量316L不銹鋼的部分均勻化，能夠對Ti-6Al-4V基體中316L中所含的元素進行微米級濃度調節。
相應的相位穩定性調制產生了細尺度調制的b+a′雙相微觀結構, 顯示出漸進相變誘導的塑性效應,
從而產生約1.3千兆帕斯卡的高抗拉強度、約9%的均勻伸長率和>300兆帕斯卡的優異加工硬化能力。
這種方法為結構和功能應用的濃度調制異質合金設計開辟了一條途徑。
3D打印Inconel 625晶粒結構可視化通過打印過程中打開和關閉超聲波實現。來源：RMIT大學
增材制造(AM)，也被稱為三維(3D)打印，將多個冶金過程整合為一個過程，其中合金的制造、成型和處理在一個過程中同時進行。然而，AM在很大程度上被視為一種能夠生產接近凈形狀的材料成分的成形技術，而沒有充分利用AM提供的同時和協同推進合金和工藝的能力。 通過逐點逐層靈活構建組件，AM提供了創建具有特定位置成分和微觀結構的異質合金的機會。
在激光粉末床聚變（L-PBF）過程中，由于熔池壽命短且冷卻速度快，因此通過使用不同合金或元素粉末的預混合混合物在每個熔池內進行部分均勻化，可以實現更細的尺度（如微米尺度）濃度調制（下文中為微米尺度）。這種微結構已經被證明具有提供各種合金特有優點的潛力，例如b-Ti中的梯度預鐵酸鹽微觀結構；鋼中的馬氏體-奧氏體異質結構；以及鐵彈性材料中的受控應變釋放、線超彈性和超低彈性模量。
研究人員演示了如何使用兩種商業合金粉末:Ti- 6al - 4v (Ti64)和316L(67.5Fe-18Cr-12Ni-2.5Mo, wt %)的混合物，通過L-PBF設計這樣的microCM鈦合金。這兩種合金的選擇是基于以下考慮。采用AM方法制備的Ti64長期以來都存在有害柱狀晶粒大和加工硬化能力差的問題。316L中的元素(Fe、Cr、Ni和Mo;我們稱之為316L元素)是鈦合金中有效的晶粒細化劑，也是鈦合金中有效的穩定劑。
此外，L-PBF中也有兩種合金的高質量粉末。通過適當選擇316L的添加量和L-PBF工藝參數，這些元素在Ti64基體中形成了microCMs，而與濃度調制相對應的相穩定性調制則在印刷合金中形成了精細尺度調制的b+ a '雙相組織。這種類型的microCM鈦合金在變形過程中表現出高的屈服強度和漸進變形誘導塑性(TRIP)效應，這導致了延長的均勻延伸和增強的加工硬化效應。
Ti64-(4.5%)316L(wt %)合金的典型microCM結構如圖1 (A至C)所示。例如，我們的掃描電子顯微鏡-能量色散光譜（SEM-EDS）圖像（圖1A）顯示Ti、Al和V（Ti64元素）明顯耗盡，Fe、Cr和Ni（316L元素）富集在熔池內的一個漩渦中。高倍透射電子顯微鏡-EDS（TEM-EDS）線掃描結果（圖1、B和C）顯示了沿a′-B界面區域更清晰的顆粒內濃度梯度。與b相區相比，a′馬氏體相區的316L元素(b穩定劑)含量要低得多。在一個a′和一個b相區域的中心，我們用3D原子探針層析成像（3D-APT）測量的精確成分分別為Ti-6.0Al-4.1V-0.9Fe-0.3Cr-0.1Ni-0.01Mo和Ti-5.8Al-3.9V-6.4Fe-1.7Cr-1.6Ni-0.3Mo[也可簡化為Ti64-（1.3%）316L和Ti64-（9%）316L]。因此，microCM合金在整個結構中具有特定位置。
在L-PBF期間，通過熔體池中兩個合金熔體漩渦的部分均勻化產生microCM，其中，在熔體池內的兩個合金熔體之間，通過帶有Marangoni運動的流體流動進行物理混合，通過原子擴散進行化學混合。
盡管物理混合傾向于在熔體池規模上使熔體均勻化（產生兩種合金熔體的漩渦），但完全均勻化（例如，316L元素完全分解為Ti64）需要在熔池中相鄰的富316L元素和富Ti64元素漩渦之間進行充分的化學混合和充分的相互融合。由于小熔池尺寸和與L-PBF(31,32)相關的快速凝固，凝固后保持部分均質狀態。通過APT、TEM-EDS和SEM-EDS在microCMTi64-（4.5%）316L合金中測量的316L濃度變化范圍為~1.3至~9.9wt%（Dc）≈ 8.6%（重量百分比）。
這種濃度不均勻性已被報道，并被認為是AM的不良反應。然而，研究人員積極利用L-PBF的這一特性在鈦合金中實現了微結構，從而形成了具有優異機械性能的調制雙相（a′+亞穩b）微觀結構。
microCM對印刷態合金的相穩定性和微觀組織調制有直接影響。從印刷態Ti64-（4.5%）316L的側視圖橫截面上，通過背散射電子(BSE)成像，我們觀察到一個類似熔巖的微觀結構，顯示了熔融池內流體流動的清晰漩渦模式(圖1,D和E)。在每個單獨的熔池區域，在暗(316L元素-貧)和亮(316L元素-富)漩渦中，我們發現了兩種截然不同的微觀結構特征。暗漩渦由細針狀a′馬氏體（黃色箭頭）組成，典型板條厚度約為100 nm，內部有一些超細孿晶結構（孿晶間距約為20 nm）（圖1、F和G）。
然而，明亮的漩渦由一個單一的b相組成，在中心有一個細胞微結構（藍色箭頭）。我們利用電子背散射衍射（EBSD）結果（圖1、H和I）證實了高度非均勻和精細調制的b+a′微觀結構。與傳統的沿著構建方向的大柱狀晶粒不同的是，在AM Ti64(35-37)中觀察到的是超細晶粒。此外，印刷態合金具有高密度（>99.9%）（圖S1）。
圖2 印刷態microCM Ti64-x316L合金的微觀結構和機械性能。（A） 印刷態Ti64-（6.0%）316L、Ti64-（4.5%）316L和Ti64-（2.0%）316L合金的工程應力-應變曲線。UTS由曲線中的大開放符號標記。（B） 與通過不同AM方法和傳統技術生產的Ti64合金相比，印刷態Ti64-x316L合金的工程抗拉強度與均勻伸長率（22,38–47）。（C至I）顯微組織對Ti64-x316L合金微觀結構的影響。（C） 三種合金相組成的XRD圖譜。a.u,任意單位。[（D）至（I）]顯示相成分和晶粒取向的三種不同印刷態合金的EBSD相圖和IPF圖。
增材制造(AM)，也被稱為三維(3D)打印，將多個冶金過程整合為一個過程，其中合金的制造、成型和處理在一個過程中同時進行。然而，AM在很大程度上被視為一種能夠生產接近凈形狀的材料成分的成形技術，而沒有充分利用AM提供的同時和協同推進合金和工藝的能力。 通過逐點逐層靈活構建組件，AM提供了創建具有特定位置成分和微觀結構的異質合金的機會。
在激光粉末床聚變（L-PBF）過程中，由于熔池壽命短且冷卻速度快，因此通過使用不同合金或元素粉末的預混合混合物在每個熔池內進行部分均勻化，可以實現更細的尺度（如微米尺度）濃度調制（下文中為微米尺度）。這種微結構已經被證明具有提供各種合金特有優點的潛力，例如b-Ti中的梯度預鐵酸鹽微觀結構；鋼中的馬氏體-奧氏體異質結構；以及鐵彈性材料中的受控應變釋放、線超彈性和超低彈性模量。
研究人員演示了如何使用兩種商業合金粉末:Ti- 6al - 4v (Ti64)和316L(67.5Fe-18Cr-12Ni-2.5Mo, wt %)的混合物，通過L-PBF設計這樣的microCM鈦合金。這兩種合金的選擇是基于以下考慮。采用AM方法制備的Ti64長期以來都存在有害柱狀晶粒大和加工硬化能力差的問題。316L中的元素(Fe、Cr、Ni和Mo;我們稱之為316L元素)是鈦合金中有效的晶粒細化劑，也是鈦合金中有效的穩定劑。
此外，L-PBF中也有兩種合金的高質量粉末。通過適當選擇316L的添加量和L-PBF工藝參數，這些元素在Ti64基體中形成了microCMs，而與濃度調制相對應的相穩定性調制則在印刷合金中形成了精細尺度調制的b+ a '雙相組織。這種類型的microCM鈦合金在變形過程中表現出高的屈服強度和漸進變形誘導塑性(TRIP)效應，這導致了延長的均勻延伸和增強的加工硬化效應。
圖1 微米級濃度調制和印刷態Ti64-（4.5%）316L合金的微觀結構。（A）
SEM-EDS圖顯示了微米級Ti、Al和V的貧化以及熔融池漩渦中Fe、Cr和Ni元素的富集。（B）
B-a′相間區的掃描電鏡圖像。黃色箭頭表示（C）中的EDS線掃描方向。（C）
（b）中穿過b-a′界面的成分剖面顯示316L元素（Fe、Cr、Ni和Mo）在b相中富集，316L元素在a′相中耗盡。（D）
側視圖橫截面BSE圖像顯示了熔巖狀微觀結構，在熔融池中機械混合期間，Marangoni對流形成清晰的漩渦圖案。較亮區域富含重元素（316L中的Fe、Cr、Ni和Mo，藍色箭頭），較暗區域富含輕元素（Ti64中的Ti、Al和V，黃色箭頭）。插圖顯示了印刷態Ti64-（4.5%）316L拉伸試樣和桿的照片。（E）
放大的BSE圖像顯示了熔巖狀非均勻微觀結構，其中針狀a′馬氏體（黃色箭頭）和具有凝固胞狀結構的超細b晶粒（藍色箭頭）共存。（F）
TEM亮場圖像觀察到細小針狀a′馬氏體。（G）
TEM亮場圖像觀察到的超細孿晶結構。（H和I）印刷態Ti64（4.5%）316L的EBSD圖像。（H）
側視圖橫截面的帶對比度圖像，顯示無柱狀晶粒的超細晶粒結構。亮區（藍色箭頭）由大塊b晶粒組成，暗區（黃色箭頭）由細針狀a′馬氏體組成。（I）
頂視圖橫截面的反極圖（IPF）圖，顯示b和a′相的晶粒取向。
Ti64-(4.5%)316L(wt %)合金的典型microCM結構如圖1 (A至C)所示。例如，我們的掃描電子顯微鏡-能量色散光譜（SEM-EDS）圖像（圖1A）顯示Ti、Al和V（Ti64元素）明顯耗盡，Fe、Cr和Ni（316L元素）富集在熔池內的一個漩渦中。高倍透射電子顯微鏡-EDS（TEM-EDS）線掃描結果（圖1、B和C）顯示了沿a′-B界面區域更清晰的顆粒內濃度梯度。與b相區相比，a′馬氏體相區的316L元素(b穩定劑)含量要低得多。在一個a′和一個b相區域的中心，我們用3D原子探針層析成像（3D-APT）測量的精確成分分別為Ti-6.0Al-4.1V-0.9Fe-0.3Cr-0.1Ni-0.01Mo和Ti-5.8Al-3.9V-6.4Fe-1.7Cr-1.6Ni-0.3Mo[也可簡化為Ti64-（1.3%）316L和Ti64-（9%）316L]。因此，microCM合金在整個結構中具有特定位置。
在L-PBF期間，通過熔體池中兩個合金熔體漩渦的部分均勻化產生microCM，其中，在熔體池內的兩個合金熔體之間，通過帶有Marangoni運動的流體流動進行物理混合，通過原子擴散進行化學混合。
盡管物理混合傾向于在熔體池規模上使熔體均勻化（產生兩種合金熔體的漩渦），但完全均勻化（例如，316L元素完全分解為Ti64）需要在熔池中相鄰的富316L元素和富Ti64元素漩渦之間進行充分的化學混合和充分的相互融合。由于小熔池尺寸和與L-PBF(31,32)相關的快速凝固，凝固后保持部分均質狀態。通過APT、TEM-EDS和SEM-EDS在microCMTi64-（4.5%）316L合金中測量的316L濃度變化范圍為~1.3至~9.9wt%（Dc）≈ 8.6%（重量百分比）。
微米尺度成分梯度帶來的熔巖狀微觀結構，來源：香港城市大學實驗室
這種濃度不均勻性已被報道，并被認為是AM的不良反應。然而，研究人員積極利用L-PBF的這一特性在鈦合金中實現了微結構，從而形成了具有優異機械性能的調制雙相（a′+亞穩b）微觀結構。
microCM對印刷態合金的相穩定性和微觀組織調制有直接影響。從印刷態Ti64-（4.5%）316L的側視圖橫截面上，通過背散射電子(BSE)成像，我們觀察到一個類似熔巖的微觀結構，顯示了熔融池內流體流動的清晰漩渦模式(圖1,D和E)。在每個單獨的熔池區域，在暗(316L元素-貧)和亮(316L元素-富)漩渦中，我們發現了兩種截然不同的微觀結構特征。暗漩渦由細針狀a′馬氏體（黃色箭頭）組成，典型板條厚度約為100 nm，內部有一些超細孿晶結構（孿晶間距約為20 nm）（圖1、F和G）。
然而，明亮的漩渦由一個單一的b相組成，在中心有一個細胞微結構（藍色箭頭）。我們利用電子背散射衍射（EBSD）結果（圖1、H和I）證實了高度非均勻和精細調制的b+a′微觀結構。與傳統的沿著構建方向的大柱狀晶粒不同的是，在AM Ti64(35-37)中觀察到的是超細晶粒。此外，印刷態合金具有高密度（>99.9%）（圖S1）。
圖2 印刷態microCM Ti64-x316L合金的微觀結構和機械性能。（A） 印刷態Ti64-（6.0%）316L、Ti64-（4.5%）316L和Ti64-（2.0%）316L合金的工程應力-應變曲線。UTS由曲線中的大開放符號標記。（B） 與通過不同AM方法和傳統技術生產的Ti64合金相比，印刷態Ti64-x316L合金的工程抗拉強度與均勻伸長率（22,38–47）。（C至I）顯微組織對Ti64-x316L合金微觀結構的影響。（C） 三種合金相組成的XRD圖譜。a.u,任意單位。[（D）至（I）]顯示相成分和晶粒取向的三種不同印刷態合金的EBSD相圖和IPF圖。
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