增材製造(AM)，通過連續添加材料來創建數字化設計的零件。然而，由於增材製造金屬零件固有的熱循環特性，幾乎不可避免地受到相和力學性能的空間依賴性不均勻性的影響，這可能會導致不可預測的失效。
在此，來自南京理工大學、重慶大學、澳大利亞昆士蘭大學等單位研究者，展示了一種協同合金設計方法，來克服激光粉末床熔合製造鈦合金的這一問題。相關論文以題為「Designing against phase and property heterogeneities in addiTively manufactured titanium alloys」發表在Nature Communications上。本期谷.專欄將分享這科研成果中報道的新的合金設計方法。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-32446-2
研究背景
與傳統的金屬製造工藝(如鑄造和加工)不同，增材製造(AM)通過使用高能源(如激光、電子束或等離子弧)熔化原料(如粉末或電線)來一層一層地構建數字設計的零件。
增材製造進程的這一獨特特性是一把雙刃劍。一方面，它提供了生產理想形狀、微結構和性能的可能性，而這些是傳統製造方法無法實現的。另一方面，增材製造過程中固有的陡直的熱梯度、高冷卻速率以及複雜的熱歷史，通常會導致孔隙、元素偏析、柱狀晶粒和組織中不均勻的相分布——無論是在凝固過程中還是在隨後的固態相變過程中——這導致了構建金屬部件不同位置的不均勻力學性能。
通過控制工藝參數和/或合金成分，與孔隙、元素偏析和柱狀晶粒有關的問題得到了有效解決。然而，由於在增材製造凝固後發生固相轉變的合金中幾乎不可避免地會出現相不均勻性，因此，獲得均勻的力學性能仍然是一個長期的挑戰。這種現象，在具有複雜幾何形狀的增材製造金屬部件中更為明顯，這些部件包含對機械載荷響應不同的區域，從而導致不可預測的服務故障。
Ti-6Al-4V合金是一種典型的在增材製造過程中，沿構建方向呈現相空間變化的合金。在增材製造過程中，如激光粉末層熔化(L-PBF)(圖1a)，Ti−6Al−4V在第一層凝固後，由於冷卻速度快，發生了固態β(體心立方組織)→α′(六邊形閉排組織)馬氏體轉變。隨著連續層的加入，最初形成的針狀α′馬氏體，在熱循環下分解為片層(α+β)組織(圖1a)。因此，L-PBF製備的Ti−6Al−4V的微觀組織沿構建方向具有空間依賴性，在頂部表面形成針狀α′馬氏體，而在下部形成部分或完全穩定的片層(α+β)組織。通過掃描電子顯微鏡(SEM)(圖1b)和X射線衍射(XRD)也證實了這種梯度相分布。
為了揭示相的不均勻性對力學性能的影響，研究者對L-PBF製備的Ti−6Al−4V試樣，進行了室溫下垂直和水平方向的拉伸測試。列印態Ti−6Al−4V在兩個方向上都表現出相似的強度但高度分散的塑性(圖1c)。特別是水平方向的拉伸延性(從拉伸延伸到破壞)變化明顯，從9.4%到17.6%不等，其中頂面最小。微觀結構分析揭示空間相分布是最可能的原因，在這裡觀察到高度分散的延性。這一觀察結果也與通常的觀點一致，即針狀α′馬氏體，由於無法抵抗裂紋萌生而導致其延性低於片層組織(α+β)。
圖1 Ti−6Al−4V與新開發的激光床熔融(L-PBF)合金(25Ti−0.25O)的組織和拉伸性能比較。
在過去的十年中，針對L-PBF增材製備Ti-6Al-4V中不需要的α′馬氏體的消除問題，從工藝控制和合金設計兩方面進行了大量的研究。前一種策略通常涉及操縱L-PBF的熱循環來觸發本構熱處理(IHT)，這促進了馬氏體的原位分解。然而，由於頂層所經歷的熱循環有限或缺乏，針狀α′馬氏體只能部分分解甚至保留。因此，無法消除沿構建方向的相位不均勻性。雖然增材製造後熱處理經常進行均勻化組織，不幸的是，它延長了生產周期，影響了增材製造工藝的有效性。因此，首先消除相的不均勻性是非常可取的。另外，Ti-6Al-4V與β穩定元素(例如Mo)的原位合金化，可以通過單質粉末形成完整的β相，從而獲得高的延展性(儘管以強度損失為代價)。然而，由此產生的未熔化的顆粒或顯著的元素偏析，可能會導致力學性能不均勻和不可重複的問題。
消除非均質性的合金設計方法
在此，研究者展示了一種協同合金設計方法，通過在Ti-6Al-4V原料中聯合添加商業純鈦(CP-Ti)粉末和Fe2O3納米顆粒，可以在L-PBF生產的鈦合金中原位消除相不均勻性。與Ti−6Al−4V形成強烈對比的是(圖1b)，它沿建築方向顯示出顯著的相位變化，新設計的合金，例如，添加了25wt % CP−Ti和0.25 wt % Fe2O3的合金(以下簡稱25Ti−0.25O，其他新開發的合金以相同的方式表示)，在與Ti−6Al−4V相比的強度水平上，在整個加工部分顯示出均勻的片層(α+β)微觀組織(圖1d)。這種均勻的微觀組織，導致了在垂直和水平方向上的均勻拉伸性能(圖1e)。進一步研究表明，該合金設計方法適用於幾何複雜的部件，其中均勻片層(α+β)組織也可以實現。
圖2 原料製備及表徵。
圖3 新開發的L-PBF合金的力學性能。
圖4 新開發合金的原子探針層析(APT)表徵。
總結
綜上所述，研究者設計和製造了一系列鈦合金，具有優異的拉伸性能，而沒有顯著的機械不均勻性。研究者證明，通過合理的合金設計，可以消除鈦合金中典型的和不期望的相不均勻性(與增材製造固有的熱循環有關)。該方法的關鍵在於合金元素在相分解中的分配，這是金屬材料中固體相轉變的一個共同特徵。
研究者期望新開發的鈦合金能成為要求鈦合金具有均勻力學性能的候選材料。這需要對其他機械性能(如疲勞性能和抗蠕變性能)和耐腐蝕性能進行綜合評估。此外，與以前的研究不同，以前的研究主要集中在晶粒細化(通過合金設計)和/或缺陷控制(通過加工優化)，該工作表明，解決相的非均勻性對於獲得所需的均勻力學性能具有同等的重要性。由於固態熱循環導致的相非均勻性，已經在由不同增材製造技術製備的各種金屬材料中得到了報道，該設計策略有望幫助開發其他具有均勻力學性能的增材製造金屬合金。
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