《Science》: 采用增材制造的濃度調(diào)制先進(jìn)鈦合金的現(xiàn)場設(shè)計(jì)
時(shí)間：2021-11-06 09:25 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
增材制造是一項(xiàng)革命性的技術(shù)，為材料加工和設(shè)計(jì)提供了不同的途徑。然而，如果沒有協(xié)同組合，新材料或新加工技術(shù)的創(chuàng)新很少能成功。本研究展示了一種原位設(shè)計(jì)方法，通過激光粉末床熔合來制備空間調(diào)制濃度的合金。研究人員發(fā)現(xiàn)，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?qū)i-6Al-4V基體中316L中所含的元素進(jìn)行微米級(jí)濃度調(diào)節(jié)。
相應(yīng)的相位穩(wěn)定性調(diào)制產(chǎn)生了細(xì)尺度調(diào)制的b+a′雙相微觀結(jié)構(gòu), 顯示出漸進(jìn)相變誘導(dǎo)的塑性效應(yīng),
從而產(chǎn)生約1.3千兆帕斯卡的高抗拉強(qiáng)度、約9%的均勻伸長率和>300兆帕斯卡的優(yōu)異加工硬化能力。
這種方法為結(jié)構(gòu)和功能應(yīng)用的濃度調(diào)制異質(zhì)合金設(shè)計(jì)開辟了一條途徑。
3D打印Inconel 625晶粒結(jié)構(gòu)可視化通過打印過程中打開和關(guān)閉超聲波實(shí)現(xiàn)。來源：RMIT大學(xué)
增材制造(AM)，也被稱為三維(3D)打印，將多個(gè)冶金過程整合為一個(gè)過程，其中合金的制造、成型和處理在一個(gè)過程中同時(shí)進(jìn)行。然而，AM在很大程度上被視為一種能夠生產(chǎn)接近凈形狀的材料成分的成形技術(shù)，而沒有充分利用AM提供的同時(shí)和協(xié)同推進(jìn)合金和工藝的能力。 通過逐點(diǎn)逐層靈活構(gòu)建組件，AM提供了創(chuàng)建具有特定位置成分和微觀結(jié)構(gòu)的異質(zhì)合金的機(jī)會(huì)。
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(yù)混合混合物在每個(gè)熔池內(nèi)進(jìn)行部分均勻化，可以實(shí)現(xiàn)更細(xì)的尺度（如微米尺度）濃度調(diào)制（下文中為微米尺度）。這種微結(jié)構(gòu)已經(jīng)被證明具有提供各種合金特有優(yōu)點(diǎn)的潛力，例如b-Ti中的梯度預(yù)鐵酸鹽微觀結(jié)構(gòu)；鋼中的馬氏體-奧氏體異質(zhì)結(jié)構(gòu)；以及鐵彈性材料中的受控應(yīng)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(yè)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(shè)計(jì)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(xì)化劑，也是鈦合金中有效的穩(wěn)定劑。
此外，L-PBF中也有兩種合金的高質(zhì)量粉末。通過適當(dāng)選擇316L的添加量和L-PBF工藝參數(shù)，這些元素在Ti64基體中形成了microCMs，而與濃度調(diào)制相對(duì)應(yīng)的相穩(wěn)定性調(diào)制則在印刷合金中形成了精細(xì)尺度調(diào)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(xiàn)出高的屈服強(qiáng)度和漸進(jìn)變形誘導(dǎo)塑性(TRIP)效應(yīng)，這導(dǎo)致了延長的均勻延伸和增強(qiáng)的加工硬化效應(yīng)。
Ti64-(4.5%)316L(wt %)合金的典型microCM結(jié)構(gòu)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，F(xiàn)e、Cr和Ni（316L元素）富集在熔池內(nèi)的一個(gè)漩渦中。高倍透射電子顯微鏡-EDS（TEM-EDS）線掃描結(jié)果（圖1、B和C）顯示了沿a′-B界面區(qū)域更清晰的顆粒內(nèi)濃度梯度。與b相區(qū)相比，a′馬氏體相區(qū)的316L元素(b穩(wěn)定劑)含量要低得多。在一個(gè)a′和一個(gè)b相區(qū)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(gè)結(jié)構(gòu)中具有特定位置。
在L-PBF期間，通過熔體池中兩個(gè)合金熔體漩渦的部分均勻化產(chǎn)生microCM，其中，在熔體池內(nèi)的兩個(gè)合金熔體之間，通過帶有Marangoni運(yùn)動(dòng)的流體流動(dòng)進(jìn)行物理混合，通過原子擴(kuò)散進(jìn)行化學(xué)混合。
盡管物理混合傾向于在熔體池規(guī)模上使熔體均勻化（產(chǎn)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(jìn)行充分的化學(xué)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(guān)的快速凝固，凝固后保持部分均質(zhì)狀態(tài)。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(bào)道，并被認(rèn)為是AM的不良反應(yīng)。然而，研究人員積極利用L-PBF的這一特性在鈦合金中實(shí)現(xiàn)了微結(jié)構(gòu)，從而形成了具有優(yōu)異機(jī)械性能的調(diào)制雙相（a′+亞穩(wěn)b）微觀結(jié)構(gòu)。
microCM對(duì)印刷態(tài)合金的相穩(wěn)定性和微觀組織調(diào)制有直接影響。從印刷態(tài)Ti64-（4.5%）316L的側(cè)視圖橫截面上，通過背散射電子(BSE)成像，我們觀察到一個(gè)類似熔巖的微觀結(jié)構(gòu)，顯示了熔融池內(nèi)流體流動(dòng)的清晰漩渦模式(圖1,D和E)。在每個(gè)單獨(dú)的熔池區(qū)域，在暗(316L元素-貧)和亮(316L元素-富)漩渦中，我們發(fā)現(xiàn)了兩種截然不同的微觀結(jié)構(gòu)特征。暗漩渦由細(xì)針狀a′馬氏體（黃色箭頭）組成，典型板條厚度約為100 nm，內(nèi)部有一些超細(xì)孿晶結(jié)構(gòu)（孿晶間距約為20 nm）（圖1、F和G）。
然而，明亮的漩渦由一個(gè)單一的b相組成，在中心有一個(gè)細(xì)胞微結(jié)構(gòu)（藍(lán)色箭頭）。我們利用電子背散射衍射（EBSD）結(jié)果（圖1、H和I）證實(shí)了高度非均勻和精細(xì)調(diào)制的b+a′微觀結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的沿著構(gòu)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(xì)晶粒。此外，印刷態(tài)合金具有高密度（>99.9%）（圖S1）。
圖2 印刷態(tài)microCM Ti64-x316L合金的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能。（A） 印刷態(tài)Ti64-（6.0%）316L、Ti64-（4.5%）316L和Ti64-（2.0%）316L合金的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。UTS由曲線中的大開放符號(hào)標(biāo)記。（B） 與通過不同AM方法和傳統(tǒng)技術(shù)生產(chǎn)的Ti64合金相比，印刷態(tài)Ti64-x316L合金的工程抗拉強(qiáng)度與均勻伸長率（22,38–47）。（C至I）顯微組織對(duì)Ti64-x316L合金微觀結(jié)構(gòu)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(tài)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(gè)冶金過程整合為一個(gè)過程，其中合金的制造、成型和處理在一個(gè)過程中同時(shí)進(jìn)行。然而，AM在很大程度上被視為一種能夠生產(chǎn)接近凈形狀的材料成分的成形技術(shù)，而沒有充分利用AM提供的同時(shí)和協(xié)同推進(jìn)合金和工藝的能力。 通過逐點(diǎn)逐層靈活構(gòu)建組件，AM提供了創(chuàng)建具有特定位置成分和微觀結(jié)構(gòu)的異質(zhì)合金的機(jī)會(huì)。
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(yù)混合混合物在每個(gè)熔池內(nèi)進(jìn)行部分均勻化，可以實(shí)現(xiàn)更細(xì)的尺度（如微米尺度）濃度調(diào)制（下文中為微米尺度）。這種微結(jié)構(gòu)已經(jīng)被證明具有提供各種合金特有優(yōu)點(diǎn)的潛力，例如b-Ti中的梯度預(yù)鐵酸鹽微觀結(jié)構(gòu)；鋼中的馬氏體-奧氏體異質(zhì)結(jié)構(gòu)；以及鐵彈性材料中的受控應(yīng)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(yè)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(shè)計(jì)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(xì)化劑，也是鈦合金中有效的穩(wěn)定劑。
此外，L-PBF中也有兩種合金的高質(zhì)量粉末。通過適當(dāng)選擇316L的添加量和L-PBF工藝參數(shù)，這些元素在Ti64基體中形成了microCMs，而與濃度調(diào)制相對(duì)應(yīng)的相穩(wěn)定性調(diào)制則在印刷合金中形成了精細(xì)尺度調(diào)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(xiàn)出高的屈服強(qiáng)度和漸進(jìn)變形誘導(dǎo)塑性(TRIP)效應(yīng)，這導(dǎo)致了延長的均勻延伸和增強(qiáng)的加工硬化效應(yīng)。
圖1 微米級(jí)濃度調(diào)制和印刷態(tài)Ti64-（4.5%）316L合金的微觀結(jié)構(gòu)。（A）
SEM-EDS圖顯示了微米級(jí)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(qū)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(cè)視圖橫截面BSE圖像顯示了熔巖狀微觀結(jié)構(gòu)，在熔融池中機(jī)械混合期間，Marangoni對(duì)流形成清晰的漩渦圖案。較亮區(qū)域富含重元素（316L中的Fe、Cr、Ni和Mo，藍(lán)色箭頭），較暗區(qū)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(tài)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(jié)構(gòu)，其中針狀a′馬氏體（黃色箭頭）和具有凝固胞狀結(jié)構(gòu)的超細(xì)b晶粒（藍(lán)色箭頭）共存。（F）
TEM亮場圖像觀察到細(xì)小針狀a′馬氏體。（G）
TEM亮場圖像觀察到的超細(xì)孿晶結(jié)構(gòu)。（H和I）印刷態(tài)Ti64（4.5%）316L的EBSD圖像。（H）
側(cè)視圖橫截面的帶對(duì)比度圖像，顯示無柱狀晶粒的超細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)。亮區(qū)（藍(lán)色箭頭）由大塊b晶粒組成，暗區(qū)（黃色箭頭）由細(xì)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(jié)構(gòu)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，F(xiàn)e、Cr和Ni（316L元素）富集在熔池內(nèi)的一個(gè)漩渦中。高倍透射電子顯微鏡-EDS（TEM-EDS）線掃描結(jié)果（圖1、B和C）顯示了沿a′-B界面區(qū)域更清晰的顆粒內(nèi)濃度梯度。與b相區(qū)相比，a′馬氏體相區(qū)的316L元素(b穩(wěn)定劑)含量要低得多。在一個(gè)a′和一個(gè)b相區(qū)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(gè)結(jié)構(gòu)中具有特定位置。
在L-PBF期間，通過熔體池中兩個(gè)合金熔體漩渦的部分均勻化產(chǎn)生microCM，其中，在熔體池內(nèi)的兩個(gè)合金熔體之間，通過帶有Marangoni運(yùn)動(dòng)的流體流動(dòng)進(jìn)行物理混合，通過原子擴(kuò)散進(jìn)行化學(xué)混合。
盡管物理混合傾向于在熔體池規(guī)模上使熔體均勻化（產(chǎn)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(jìn)行充分的化學(xué)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(guān)的快速凝固，凝固后保持部分均質(zhì)狀態(tài)。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(jié)構(gòu)，來源：香港城市大學(xué)實(shí)驗(yàn)室
這種濃度不均勻性已被報(bào)道，并被認(rèn)為是AM的不良反應(yīng)。然而，研究人員積極利用L-PBF的這一特性在鈦合金中實(shí)現(xiàn)了微結(jié)構(gòu)，從而形成了具有優(yōu)異機(jī)械性能的調(diào)制雙相（a′+亞穩(wěn)b）微觀結(jié)構(gòu)。
microCM對(duì)印刷態(tài)合金的相穩(wěn)定性和微觀組織調(diào)制有直接影響。從印刷態(tài)Ti64-（4.5%）316L的側(cè)視圖橫截面上，通過背散射電子(BSE)成像，我們觀察到一個(gè)類似熔巖的微觀結(jié)構(gòu)，顯示了熔融池內(nèi)流體流動(dòng)的清晰漩渦模式(圖1,D和E)。在每個(gè)單獨(dú)的熔池區(qū)域，在暗(316L元素-貧)和亮(316L元素-富)漩渦中，我們發(fā)現(xiàn)了兩種截然不同的微觀結(jié)構(gòu)特征。暗漩渦由細(xì)針狀a′馬氏體（黃色箭頭）組成，典型板條厚度約為100 nm，內(nèi)部有一些超細(xì)孿晶結(jié)構(gòu)（孿晶間距約為20 nm）（圖1、F和G）。
然而，明亮的漩渦由一個(gè)單一的b相組成，在中心有一個(gè)細(xì)胞微結(jié)構(gòu)（藍(lán)色箭頭）。我們利用電子背散射衍射（EBSD）結(jié)果（圖1、H和I）證實(shí)了高度非均勻和精細(xì)調(diào)制的b+a′微觀結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的沿著構(gòu)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(xì)晶粒。此外，印刷態(tài)合金具有高密度（>99.9%）（圖S1）。
圖2 印刷態(tài)microCM Ti64-x316L合金的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能。（A） 印刷態(tài)Ti64-（6.0%）316L、Ti64-（4.5%）316L和Ti64-（2.0%）316L合金的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。UTS由曲線中的大開放符號(hào)標(biāo)記。（B） 與通過不同AM方法和傳統(tǒng)技術(shù)生產(chǎn)的Ti64合金相比，印刷態(tài)Ti64-x316L合金的工程抗拉強(qiáng)度與均勻伸長率（22,38–47）。（C至I）顯微組織對(duì)Ti64-x316L合金微觀結(jié)構(gòu)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(tài)合金的EBSD相圖和IPF圖。
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