悉尼大学廖晓舟课题组Acta Mater.: 在增材制造Ti-6Al-4V合金中观测到由快速热循环导致的α’→ α+β扩散型相变的微观结构演化过程

【引言】

激光粉床打印出的Ti-6Al-4V合金的微观结构通常由α' 针状马氏体组成，这使得成品的塑性和韧性都较低，极大地限制了材料的工业应用。通过调节打印参数，控制增材制造的热历史，就能够在打印过程中直接引入α'→ α+β相变，使得最终的微观结构演化为片层状细晶α+β结构。这种结构相比于马氏体来说，有着更好的强度与塑性结合。因此，了解整个α'→ α+β的结构演化过程对于增材制造出优异机械性能的Ti-6Al-4V合金是至关重要的。同时，增材制造过程中的快速热循环也给我们创造了观测这种扩散型相变演化过程的机会。

【成果简介】

近日，悉尼大学廖晓舟教授（共同通讯作者），Simon Ringer教授（共同通讯作者），第一作者王昊，迪肯大学徐嵬教授，晁琦博士，香港理工大学陈子斌博士 （共同通讯作者）与团队成员利用透射电子显微镜、扫描电子显微镜、和原子探针发现了在激光粉床打印钛铝钒（Ti-6Al-4V）合金内α'→ α+β相变过程中经历了一种V富集的六角密堆相 (HCP) 中间过渡结构α_HME 的形成。这种非稳态过渡态虽然有着和α相类似的HCP结构，其化学成分却更接近于β相。该研究揭示了α'→ α+β的结构演化过程。研究表明，由于不同打印层数经历了不同的热历史，成品Ti-6Al-4V合金沿着打印方向由不同的微结构组成。微观结构演化遵循如下顺序：α' 针状马氏体，微量V元素与Fe杂质元素富集在马氏体晶界上（顶层），大量V元素与Fe杂质元素富集形成HCP中间非稳态α_HME 结构（次顶层），片层状细晶α+β结构 （底层）。该研究首次揭示了α'→ α+β的两步分解过程：1）α'首先分解为片层状α+α_HME结构，两者都是六角密堆结构。2）随着循环热载荷的增加，α_HME 最终演化为 β相（体心立方结构）。即在此相变过程中，元素扩散发生在晶格转变过程之前。

该研究成果以“Formation of a transition V-rich structure during the α' to α + β phase transformation process in additively manufactured Ti-6Al-4 V” 为题刊登在2022年8月15日出版的Acta Materialia上。

【图文导读】

图1：扫描电镜数据展示增材制造钛铝钒合金样品中顶层和底层不同的微结构。

a)示意图指出了扫描电镜样品和透射电镜样品的取样位置。

b)顶层样品的扫描电镜背散射电子像。主要结构为α' 马氏体，晶粒内部观测到了大量孪晶。插图为孪晶的高分辨透射电镜图。

c)底层样品的扫描电镜背散射电子图。主要结构为α+β片层结构。显亮衬度的为β相结构。β相有两种主要形貌，分别为片层状与颗粒状。

图2：样品顶层的透射电镜数据

a) 扫描透射高角环形暗场像 (STEM-HAADF)与对应的元素分布图。

b) 元素分布线形分析，展示钒和铁在晶界处少量富集。

c ）STEM-HAADF图揭示了偏析处的原子结构与相邻区域相同。偏析处因为较高的平均原子序数而展现较亮的衬度

d) 对应的傅里叶衍射花样没有展示任何异样。

图3：次顶层的透射电镜数据

a) STEM-HAADF图与对应的元素分布图。

b) 元素分布线形分析，展示钒和铁在条状结构中大量富集。

c -h) STEM-HAADF图在三种不同轴态下的α/α_HME界面的原子相解析。表明了α_HME是HCP结构，同时拥有与α相不同的晶格常数。

图4：底层的透射电镜数据

a) STEM-HAADF图与对应的元素分布图。

b) 元素分布线形分析，展示钒和铁在β相中大量富集。

c) STEM-HAADF图在α/β界面的原子相解析。揭示了α与β相的位相关系为//and (0001)_α//{110}_β

文献链接

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.118104