增材(cai)制(zhi)造是一項革(ge)命性的(de)技術，為(wei)零部(bu)件(jian)(jian)的(de)近凈成形和(he)靈(ling)活設計(ji)提供了(le)(le)一種有前(qian)景(jing)的(de)方(fang)法。鈦(tai)(tai)(tai)基(ji)合(he)(he)金(jin)是應(ying)用(yong)于AM工藝的(de)最成熟的(de)合(he)(he)金(jin)之一，并且AM鈦(tai)(tai)(tai)合(he)(he)金(jin)零件(jian)(jian)具有與鍛件(jian)(jian)相當的(de)靜載力學(xue)性能。然而，AM固有的(de)高(gao)冷卻速(su)率和(he)高(gao)溫(wen)度梯(ti)度通(tong)常會在鈦(tai)(tai)(tai)合(he)(he)金(jin)中產(chan)生(sheng)沿沉積方(fang)向(xiang)外延生(sheng)長的(de)粗大柱狀β晶(jing)粒(li)和(he)長達幾厘米的(de)連續(xu)晶(jing)界α相，從而導(dao)致明(ming)顯的(de)機械(xie)性能各向(xiang)異性和(he)較差的(de)低周疲勞性能，這極(ji)大地限制(zhi)了(le)(le)AM的(de)鈦(tai)(tai)(tai)合(he)(he)金(jin)零件(jian)(jian)的(de)廣泛應(ying)用(yong)。因此，非(fei)常期望在AM的(de)鈦(tai)(tai)(tai)合(he)(he)金(jin)中獲得細等軸的(de)β晶(jing)粒(li)。

本文選(xuan)擇低含量Ni和(he)(he)微量B做為DED的(de)Ti6Al4V的(de)合(he)(he)金化元(yuan)素，在(zai)凝固和(he)(he)隨后(hou)的(de)熱循環中協同控制β晶(jing)粒(li)。結合(he)(he)實驗觀察和(he)(he)有限元(yuan)熱模擬，分別研究(jiu)了DED的(de)Ti6Al4VxNiyB在(zai)凝固和(he)(he)后(hou)續熱循環期間的(de)β晶(jing)粒(li)形態和(he)(he)尺(chi)寸。此外，還分析了拉(la)伸性能及其各向異性。相(xiang)關研究(jiu)成果以題“Achieving fully-equiaxed fine β-grains in titanium alloy produced by additive manufacturing”發表在(zai)期刊(kan)Materials Research Letters上。

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//doi.org/10.1080/21663831.2022.2115323

圖1給出了Ti6Al4VxNiyB鈦合(he)金(jin)頂部的(de)(de)β晶(jing)(jing)(jing)粒及其形成機理(li)示意圖。Ti6Al4V的(de)(de)最后一(yi)層(ceng)由柱(zhu)狀晶(jing)(jing)(jing)和等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)組(zu)成，而(er)Ti6Al4V3Ni和Ti6Al4V3Ni0.05B的(de)(de)顯微(wei)組(zu)織則(ze)是全等(deng)軸(zhou)β晶(jing)(jing)(jing)粒。與Ti6Al4V相比，Ti6Al4V3Ni和Ti6Al4V3Ni0.05B的(de)(de)最后一(yi)層(ceng)的(de)(de)等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)平均(jun)尺寸分別減小了48%和69%，達到111μm和65μm。與Ti6Al4V3Ni相比，Ti6Al4V3Ni0.05B沉積件獲(huo)得了一(yi)個更(geng)大的(de)(de)含(han)有更(geng)細等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)(jing)的(de)(de)區域。

圖(tu)(tu)1. Ti6Al4VxNiyB頂(ding)部(bu)的(de)β晶粒和最后一(yi)層的(de)初始(shi)凝固機制(zhi)。(a,d) Ti6Al4V; (b,e) Ti6Al4V3Ni; (c,f) Ti6Al4V3Ni0.05B; (g) 晶粒尺寸(cun)d0與(yu)1/Q的(de)關系圖(tu)(tu)。TE是平衡液(ye)相溫度(du)，?Tn是形核的(de)臨界過冷度(du)）

圖2給出了Ti6Al4V3Ni和Ti6Al4V3Ni0.05B沉積件中部的微觀組織。相應地，β-晶粒的平均尺寸d分別為624μm和207μm；β-晶粒粗化程度m（m=d/d0）分別為5.6和3.2。值得注意的是，只有0.05wt%的B確實將Ti6Al4V3Ni0.05B的m降低到接近Ti6Al4V3Ni的一半，使Ti6Al4V3Ni0.05B的d顯著減少約67%。當沉積第n層附近的后續沉積層時，只有相鄰的幾個再加熱的高溫熱循環（Tβ<tp<ts）才是造成ded鈦合金第n層的β晶粒粗化的主要原因。

圖2.激光立體成形Ti6Al4V3NiyB沉積件中部的β晶粒及模擬的晶粒尺寸和粗化程度：(a) Ti6Al4V3Ni和(b) Ti6Al4V3Ni0.05B; (c) β-晶粒尺寸和粗化程度m; (d) 預測的d0VS m (e) Ti6Al4V3Ni和(f) Ti6Al4V3Ni0.05B中模擬的△di, d=d0+Σ△di, △Mi和M=Σ△Mi與熱循環次數（Tβ<tp<ts）的關系

圖(tu)3. 在(zai)Ti6Al4VxNiyB沉積(ji)件中部的(de)微觀組織。沉積(ji)態(tai)：（a）Ti6Al4V，（b）Ti6Al4V3Ni，和（c）Ti6Al4V3Ni0.05B，（d）熱處理(li)的(de)Ti6Al4V3Ni0.05B

如(ru)圖3所示，與Ti6Al4V相(xiang)比，Ni的(de)添加產生了(le)Ti2Ni（139nm），并減小了(le)Ti6Al4V3Ni中(zhong)α板(ban)條的(de)長寬比。對(dui)(dui)于Ti6Al4V3Ni0.05B，除(chu)了(le)在α板(ban)條之(zhi)間有(you)大(da)量(liang)的(de)Ti2Ni，還形成了(le)一些TiB相(xiang)，α板(ban)條被細化。對(dui)(dui)于熱處理(li)后的(de)Ti6Al4V3Ni0.05B，Ni幾乎完全固溶在β基體中(zhong)，形成（α-Ti+β-Ti）的(de)微觀組(zu)織，并有(you)少(shao)量(liang)殘(can)留的(de)Ti2Ni（<0.01vol.%）。

如圖(tu)4a所(suo)示，與Ti6Al4V相比，沉(chen)(chen)積(ji)(ji)態的(de)(de)Ti6Al4V3Ni和(he)Ti6Al4V3Ni0.05B的(de)(de)屈(qu)服強(qiang)(qiang)度（YS）和(he)極限抗拉強(qiang)(qiang)度（UTS）都(dou)有所(suo)提高，而(er)斷(duan)裂伸長率（EL）有所(suo)下降。這歸(gui)因于(yu)Ti2Ni的(de)(de)強(qiang)(qiang)化和(he)脆化作用。與Ti6Al4V3Ni相比，沉(chen)(chen)積(ji)(ji)態的(de)(de)Ti6Al4V3Ni0.05B的(de)(de)所(suo)有YS、UTS和(he)EL都(dou)得到了改善，特別是(shi)(shi)縱向(xiang)EL增加了約3.4倍（2.1%）。這可能是(shi)(shi)由于(yu)較細的(de)(de)等軸晶(jing)粒和(he)α板條(tiao)引起的(de)(de)相對(dui)分散的(de)(de)Ti2Ni的(de)(de)不利(li)影響被削弱(ruo)。在對(dui)Ti6Al4V3Ni0.05B進行熱處(chu)理后(hou)，在沒有機械各向(xiang)異性(xing)的(de)(de)情況下，EL明(ming)顯增加，UTS也(ye)略微(wei)提高（橫向(xiang)：6.87%，1231Mpa；縱向(xiang)：6.97%，1230Mpa）（圖(tu)4（a）和(he)（c））。EL的(de)(de)明(ming)顯增強(qiang)(qiang)歸(gui)因于(yu)Ti2Ni的(de)(de)幾乎(hu)完全消(xiao)失，這有利(li)于(yu)位(wei)錯的(de)(de)移動和(he)不同相的(de)(de)協調變形。UTS的(de)(de)改善是(shi)(shi)由于(yu)更細的(de)(de)α-板條(tiao)的(de)(de)強(qiang)(qiang)化和(he)Ni的(de)(de)固溶強(qiang)(qiang)化。

如(ru)圖4b所(suo)示，與(yu)DED制造(zao)的(de)Ti-Cu合金相(xiang)比，熱(re)處(chu)(chu)理的(de)Ti6Al4V3Ni0.05B的(de)機械性(xing)(xing)能表現出更(geng)高的(de)強度，且(qie)塑性(xing)(xing)相(xiang)當。與(yu)DED的(de)Ti6Al4V相(xiang)比，熱(re)處(chu)(chu)理后的(de)Ti6Al4V3Ni0.05B的(de)YS明顯更(geng)高，EL介于Ti6Al4V的(de)橫向(xiang)和縱(zong)向(xiang)EL之間。同(tong)時(shi)，熱(re)處(chu)(chu)理后的(de)Ti6Al4V3Ni0.05B的(de)綜合拉伸性(xing)(xing)能與(yu)ASTM標(biao)準中的(de)鑄造(zao)和鍛造(zao)Ti6Al4V相(xiang)當。

圖4. Ti6Al4VxNiyB合金的機械性能：(a) 代(dai)表性的工(gong)程應(ying)力-應(ying)變曲線，(b)熱處理的Ti6Al4V3Ni0.05B的拉伸性能與DED的Ti-Cu和(he)Ti6Al4V以(yi)及ASTM標(biao)準的Ti6Al4V相當(dang)，(c) 各向異性。

綜上所述(shu)，通過(guo)(guo)在(zai)(zai)(zai)(zai)凝固和(he)(he)(he)(he)后續熱(re)循(xun)環期間協同(tong)控制(zhi)β晶(jing)(jing)粒(li)，以及(ji)固溶+淬火熱(re)處(chu)理(li)，本(ben)文獲(huo)得(de)了(le)一種在(zai)(zai)(zai)(zai)AM鈦合金(jin)中(zhong)實(shi)現(xian)(xian)完全等(deng)軸(zhou)細(xi)小(xiao)β晶(jing)(jing)粒(li)并具有良(liang)好綜合拉伸性(xing)能的(de)(de)(de)(de)(de)合金(jin)設(she)計方法。由于Ni顯著增大了(le)成分(fen)過(guo)(guo)冷，在(zai)(zai)(zai)(zai)Ti6Al4V3Ni和(he)(he)(he)(he)Ti6Al4V3Ni0.05B中(zhong)都獲(huo)得(de)了(le)全等(deng)軸(zhou)的(de)(de)(de)(de)(de)β晶(jing)(jing)粒(li)。與Ti6Al4V3Ni相(xiang)比，Ni和(he)(he)(he)(he)B的(de)(de)(de)(de)(de)協同(tong)作(zuo)用使Ti6Al4V3Ni0.05B凝固獲(huo)得(de)的(de)(de)(de)(de)(de)晶(jing)(jing)粒(li)尺(chi)寸減少(shao)了(le)~50%；由于微量B增加了(le)晶(jing)(jing)粒(li)粗(cu)化(hua)指(zhi)數和(he)(he)(he)(he)激活能，熱(re)循(xun)環期間的(de)(de)(de)(de)(de)晶(jing)(jing)粒(li)粗(cu)化(hua)程度進一步(bu)減少(shao)~50%。這首次揭(jie)示(shi)了(le)通過(guo)(guo)復合添加Ni和(he)(he)(he)(he)B可(ke)以在(zai)(zai)(zai)(zai)凝固的(de)(de)(de)(de)(de)等(deng)軸(zhou)晶(jing)(jing)中(zhong)實(shi)現(xian)(xian)1+1>2的(de)(de)(de)(de)(de)晶(jing)(jing)粒(li)細(xi)化(hua)效果，并且微量B在(zai)(zai)(zai)(zai)再熱(re)循(xun)環和(he)(he)(he)(he)凝固期間對β晶(jing)(jing)粒(li)的(de)(de)(de)(de)(de)細(xi)化(hua)起著同(tong)等(deng)重要的(de)(de)(de)(de)(de)作(zuo)用。細(xi)小(xiao)的(de)(de)(de)(de)(de)全等(deng)軸(zhou)β晶(jing)(jing)粒(li)和(he)(he)(he)(he)晶(jing)(jing)內(nei)的(de)(de)(de)(de)(de)（α-Ti+β-Ti）微觀(guan)組(zu)織(zhi)使得(de)熱(re)處(chu)理(li)后的(de)(de)(de)(de)(de)Ti6Al4V3Ni0.05B的(de)(de)(de)(de)(de)強度和(he)(he)(he)(he)塑性(xing)都有所提高(gao)，與DED的(de)(de)(de)(de)(de)Ti6Al4V相(xiang)當。這些發現(xian)(xian)為AM鈦合金(jin)的(de)(de)(de)(de)(de)晶(jing)(jing)粒(li)組(zu)織(zhi)控制(zhi)和(he)(he)(he)(he)成分(fen)設(she)計提供了(le)重要的(de)(de)(de)(de)(de)指(zhi)導。