增材制造过程中促进钛合金的柱状到等轴过渡和晶粒细化

【引言】

对于金属增材制造，尤其是钛合金，柱状晶的形成由于会导致机械性能的各相异性，因此一直希望避免。故促使柱状晶向等轴晶演化(CET)，获得具有各相同性的晶粒细化的等轴晶获得了极大的关注。获得等轴晶主要通过调节过程参数，例如温度梯度(G)，S/L界面生长速率(R)，冷却速率进行制造。并且合金成分也是影响等轴晶形成的主要因素。

为了使CET发生，过冷液体必须存在于柱状前端之前，以使大部分等轴晶粒形核或使分离的固体碎片或未熔化的粉末存活和生长。过冷(ΔT_CS)溶质产生ΔT_CS的速率由生长限制因子Q决定，其中具有大Q值的溶质快速产生ΔT_CS并且被认为是可以提供有效晶粒细化的生长限制溶质。Ti-6Al-4V中的Al和V溶质不提供ΔT_CS (Al和V溶质在Ti 中具有可忽略的Q值)，因此Ti-6Al-4V在AM期间难以实现CET。

【成果简介】

近日，昆士兰大学M.J. Bermingham(第一兼通讯作者)在Acta Materialia发表题为“Promoting the columnar to equiaxed transition and grain refinement of titanium alloys during additive manufacturing”的文章。研究人员对基于丝材增材制造过程中凝固的热力学条件进行了表征，并探索了合金成分对等轴晶形成的作用(β-Ti在La₂O₃形核，实现了显着的细化和等轴晶粒形成) 。由于热环境是动态的，只有当温度梯度充分降低以允许组分过冷时才能实现等轴晶粒形成。

【图文导读】

图一 实验装置及原理图

(A) 高温计用于测量实时冷却速率（沿Y轴沉积），摄像机用于观察Y-Z平面的过程；

(B) 沉积速度400mm/min的示例;光学和背散射SEM图像示出了如何确定平均温度梯度G。

图二 凝固过程中热力学测量

(A) Ti-6Al-4V冷却速率，50-400mm/min的沉积速度

(B)100mm/min冷却速率，三个时间间隔图片

(C) 凝固曲线

图三 冷却速率曲线

Ti-6Al-4V，Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr和Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr + La₂O₃凝固期间在沉积结束时收集的典型冷却曲线

图四 热力学条件下沉积的Ti合金显微结构

(A-C) 分别是 Ti-6Al-4V、Ti-3Al-6Cr-4Mo-4Zr、Ti-3Al-6Cr-4Mo-4Zr + La₂O₃ 微观结构

(D) 平均晶粒尺寸 沉积速度 50mm/min

图五 沉积前后的La₂O₃尺寸与分布

(A) 沉积前La₂O₃背散射SEM图像

(B) 沉积过程中，颗粒形状变得更加球形化并且尺寸减小

(C) 沉积后的La₂O₃粒度分布

(D) 在Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr内不同层中分布的La₂O₃颗粒的面积分数

图六 Ti-6Al-4V熔池内的温度分布

(A) 和(B)为基于Bai等人的分析开发的Ti-6Al-4V增材制造传热模型，D为动态温度梯度的新实验数据

图七 不同时间间隔AM凝固期间应用的相互依赖模型的原理

t₁ ΔT_N=0℃，无ΔT_CS或溶质扩散到液体中

t₂ 少量外延生长，G太陡，无ΔT_CS，附近颗粒无法激活

t₃ G持续减小，ΔT_CS<ΔT_N，存在小的过冷区

t₄ 附近无成核粒子存在，柱状生长

t₅ 等轴晶粒生成

图八 晶粒尺寸—Q曲线

Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Z中La₂O₃对的存在使晶粒尺寸减小到超过单独溶质效应可实现的水平

文献链接：Promoting the columnar to equiaxed transition and grain refinement of titanium alloys during additive manufacturing (Acta Mater., 2019, DOI: 10.1016/j.actamat.2019.02.020)

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