頂刊：微量B4C添加對增材制造鈦合金組織及熱處理行為的影響！

來源：材料科學與工程

激光粉床熔化（L-PBF）技術是一種典型的金屬增材制造方法，具有成型致密度高、力學性能優(yōu)異、可制備復雜零件和節(jié)省材料等諸多傳統(tǒng)加工方式無法媲美的優(yōu)勢。Ti-6Al-4V合金由于具有優(yōu)異的比強度、耐腐蝕性高、生物相容性好等優(yōu)點，已被廣泛應用于增材制造領域。為了進一步提高該合金的力學性能，通過引入微量增強相以及結合適當?shù)臒崽幚韥韺�Ti-6Al-4V合金進行改性是一種有效手段。

近日，來自加拿大McMasterUniversity的Fereiduni等人的最新研究表明，添加微量B4C作為增強相和適當?shù)臒崽幚砜梢杂行д{控增材制造Ti-6Al-4V合金的微觀組織并顯著提升合金的力學性能，相關機理在文中進行了詳細分析。相關論文以題為“Unique opportunities for microstructure engineering via trace B4C addition to Ti-6Al-4V through laser powder bed fusion process: As-built and heat-treated scenarios”發(fā)表于Additive Manufacturing。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... 21007041?via%3Dihub

在該項研究中，作者通過優(yōu)化的L-PBF工藝制備了致密的Ti-6Al-4V合金和Ti-6Al-4V/0.2wt% B4C復合材料，并通過DSC對兩種材料的β相變點進行了測試。DSC結果表明微量B4C的引入顯著推遲了升溫過程中放熱峰的到來以及冷卻過程中放熱峰的寬化，說明Ti-6Al-4V/0.2wt% B4C復合材料的β相變點（1040℃）明顯高于Ti-6Al-4V合金（960℃）。

圖1Ti-6Al-4V合金和Ti-6Al-4V/0.2 wt% B4C復合材料的DSC測試結果

在測得兩種材料的β相變點之后，對兩種材料在亞臨界區(qū)及β單相區(qū)分別進行了退火，以探明B4C在熱處理過程中對Ti-6Al-4V合金組織演變的作用機理。研究發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)的Ti-6Al-4V合金截然不同的是，在β單相區(qū)進行退火后，Ti-6Al-4V/B4C復合材料內(nèi)部出現(xiàn)了完全等軸的α晶粒，如圖2所示。此外，該類等軸組織的Ti-6Al-4V/B4C具有極佳的綜合力學性能，獲得了良好的強度和塑性的結合。該現(xiàn)象被歸因于Ti-6Al-4V/B4C復合材料中的針狀TiB相有效限制了α相的生長。此外，針狀TiB相也避免了冷卻過程中有害的晶界α相網(wǎng)狀結構的形成。

圖2Ti-6Al-4V/0.2 wt% B4C復合材料β固溶處理后的等軸α晶粒

最后，文中對Ti-6Al-4V合金和Ti-6Al-4V/0.2wt% B4C復合材料的各種強化機制進行了定量統(tǒng)計，并與實測值進行了比較。證明了B4C的加入對Ti-6Al-4V合金的強度貢獻主要來源于Hall-Petch細晶強化效應以及C原子的固溶強化效應。此外，TiB相帶來的載荷傳遞作用以及位錯強化也對Ti-6Al-4V/B4C復合材料的強度具有一定增強作用，如圖3所示。

圖3 Ti-6Al-4V合金和Ti-6Al-4V/0.2wt% B4C復合材料的強化機制統(tǒng)計

總的來說，本文研究表明，通過引入適量增強相并結合適當?shù)臒崽幚砜梢杂行�提高Ti-6Al-4V合金的綜合性能。此外，此項工作說明針對Ti-6Al-4V合金的熱處理工藝并不適用于鈦基復合材料。即β熱處理是提高Ti-6Al-4V/B4C復合材料綜合力學性能的有效手段。研究結果對拓寬鈦合金及鈦基復合材料在增材制造領域的應用具有重要價值。