研究人員開(kāi)發(fā)專(zhuān)用于DED的貝氏體鈦合金，通過(guò)多種強(qiáng)化機(jī)制實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度性能

導(dǎo)讀：如今，增材制造領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的鈦合金材料是 Ti-6Al-4V，這種合金最初是為鍛造制造而開(kāi)發(fā)的。雖然這種材料已成功用于增材制造工藝，但在機(jī)械性能方面仍有改進(jìn)空間。具體來(lái)說(shuō)，3D 打印的 Ti-6Al-4V 已被證明具有柱狀前β晶粒，這可能導(dǎo)致各向異性。

2024年8月17日，南極熊獲悉，為了解決這一現(xiàn)象，來(lái)自澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)、北德克薩斯大學(xué)和捷克 Tescan 集團(tuán)的研究人員開(kāi)發(fā)了用于增材制造的新型貝氏體三元合金，由鈦、銅和鐵 (Ti-Cu-Fe) 組成。這項(xiàng)工作展示了一種使用低成本元素粉末通過(guò)增材制造生產(chǎn)具有獨(dú)特和優(yōu)異性能的結(jié)構(gòu)部件的可行方法。

相關(guān)研究以題為“Novel bainitic Ti alloys designedfor additive manufacturing”論文發(fā)表于《材料與設(shè)計(jì)》期刊上。

相關(guān)論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matdes.2024.113176

圖 1.a ) ti-xcu-4fe 共析溫度附近的等值線(xiàn)，x 從 0到 8 wt%。b) 合金設(shè)計(jì)策略圖，顯示了共析成分和 Cu 和 Fe 成分從 0 → 8 %的 Q 值。

表 1.標(biāo)稱(chēng)Ti-Cu-Fe 合金的 ICP-MS 分析和針對(duì)每種考慮成分計(jì)算出的 Q 值。

圖 2.Ti -2Cu-2Fe、Ti-2Cu-4Fe、Ti-4Cu-4Fe和 Ti-4Cu-6Fe 進(jìn)行母體晶粒分析后的 EBSD 圖。IPF 著色與 Z0 方向平行（頁(yè)面外）。

圖 3.a ) 和 b) Ti-2Cu-4Fe，紅色箭頭表示 Ti2Cu顆粒，c) 和 d) Ti-4Cu-4Fe，e) 和 f) Ti-6Cu-4Fe，g)和 h) Ti-4Cu-6Fe。紅色框表示相鄰圖像中放大的區(qū)域。最暗的顆粒/板條為 α 相，灰色基質(zhì)為 β 相，最亮的顆粒為 Ti2Cu 金屬間化合物。（有關(guān)此圖例中顏色引用的解釋?zhuān)�讀者請(qǐng)參閱本文的網(wǎng)絡(luò)版本。）

圖 4.從Pandat（PanTi v2022）獲得的室溫下不包括 TiFe 的平衡相分?jǐn)?shù)，并通過(guò) SEM 成像計(jì)算出四種顯示等軸微觀結(jié)構(gòu)的成分：Ti-4Cu-4Fe、Ti-6Cu-4Fe、Ti-4Cu-6Fe 和 Ti-6Cu-6Fe。

圖 5.TEM圖像和高分辨率 EDS 通過(guò) TEM 顯示了 α 相和殘留 β 相交叉區(qū)域內(nèi)不同相的元素濃度以及相間形成的金屬間化合物。區(qū)域 i.、ii. 和 iii. 表示在樣品內(nèi)采集光譜的區(qū)域，并以

表2.顯示不同相的元素組成（±σ）的光譜分析。

圖 6.a ) Ti-4Cu-4Fe 的明場(chǎng)圖像，紅色箭頭表示 b 中分析的 Ti 2 Cu 粒子，該粒子形成于 α 板條和殘留 β 相的交匯處。b) 從 a 中的粒子收集的 SAED 衍射圖案，確認(rèn) Ti 2 Cu 沿 0 0 1 區(qū)域軸取向。（有關(guān)此圖例中顏色引用的解釋?zhuān)��?qǐng)讀者參閱本文的網(wǎng)絡(luò)版。）

圖 7。a ) Ti4Cu4Fe 的明場(chǎng)莖圖像。b) 相位識(shí)別疊加在相位可靠性圖上 c) α 相晶體取向圖。d) β 相晶體取向圖。e) Ti 2 Cu 晶體取向圖（IPF 著色平行于頁(yè)面外的 Z 方向）。f) 和 g) 極圖、平面和方向，平行平面和方向?qū)Ψ謩e用紅色圓圈表示。（有關(guān)此圖例中顏色引用的解釋?zhuān)�讀者請(qǐng)參閱本文的網(wǎng)絡(luò)版本。）

圖 8.Ti -4Cu-4Fe、Ti-4Cu-6Fe、Ti-6Cu-4Fe和 Ti6Cu-6Fe 成分的代表性拉伸曲線(xiàn)。平均拉伸應(yīng)力和斷裂伸長(zhǎng)率以點(diǎn)表示，誤差線(xiàn)表示標(biāo)準(zhǔn)誤差。

圖 9.斷口的二次電子圖像。a) Ti-4Cu-4Fe，b)Ti-4Cu-6Fe，c) Ti-6Cu-4Fe 和 d)Ti6-Cu-6Fe。

圖 10.晶粒尺寸和面積加權(quán)長(zhǎng)寬比倒數(shù)與 Q 值倒數(shù)的關(guān)系。Q 值增加會(huì)導(dǎo)致等軸微觀結(jié)構(gòu)。等軸晶粒具有平均長(zhǎng)寬比倒數(shù)0.5。虛線(xiàn)表示 Ti-4Cu-4Fe 成分，其中形成等軸微結(jié)構(gòu)。Ti-2Cu-2Fe 晶粒尺寸通過(guò)面積加權(quán)晶粒尺寸估算，因?yàn)檫@更能說(shuō)明大柱狀晶粒。誤差線(xiàn)表示標(biāo)準(zhǔn)誤差。

表 3.Pandat CALPHAD 軟件預(yù)測(cè)的凝固范圍。

圖 11. Ti -4Cu-4Fe、Ti-6Cu-4Fe 和 Ti-4Cu-6Fe 與制造的 DED 樣品相比，機(jī)械性能有所提高。H 和 V 項(xiàng)標(biāo)明水平和垂直平面上的拉力筋制造方向，以及顯示了 Ti-6Al-4V 所制造的固有各向異性。虛線(xiàn)連接 Ti-6.5Cu 和 Ti-8.5Cu 二元合金。

圖12.各種模型化強(qiáng)化機(jī)制的貢獻(xiàn)與實(shí)驗(yàn)屈服強(qiáng)度的比較：強(qiáng)化機(jī)制包括：純鈦的滑移激活應(yīng)力、固溶強(qiáng)化、與α相的Hall-Petch關(guān)系、析出強(qiáng)化和森林位錯(cuò)強(qiáng)化。

貝氏體合金在鋼中最為常見(jiàn)，其特點(diǎn)是具有兩相微觀結(jié)構(gòu)。研究團(tuán)隊(duì)希望通過(guò)改變合金化學(xué)成分來(lái)解決鈦的原位β晶粒問(wèn)題，因?yàn)檫@種改變可以顯著影響凝固過(guò)程中的“組織過(guò)冷”。該團(tuán)隊(duì)在增材制造 Ti-Cu 合金成功的基礎(chǔ)上，探索了為增材制造而開(kāi)發(fā)的 Ti-Cu-Fe 合金的微觀結(jié)構(gòu)控制。之所以選擇鐵，是因?yàn)樗�能夠（�?lèi)似于銅）細(xì)化原βTi晶粒。

在這項(xiàng)研究中，研究人員利用激光定向能量沉積（DED）成功 3D 打印了鈦合金。正如他們?cè)谘芯恐兴�描述的那樣，他們將三種 Ti-Cu-Fe 合金（Ti-4Cu-4Fe、Ti-4Cu-6Fe 和 Ti-6Cu-4Fe）的機(jī)械性能與二元 Ti-Cu 合金和 Ti-6Al-4V 進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)三元合金的微觀結(jié)構(gòu)有顯著改善。最終，該研究項(xiàng)目展示了使用低成本元素粉末和DED 3D 打印堅(jiān)固鈦合金結(jié)構(gòu)的可能性。

這項(xiàng)研究總結(jié)道：“這項(xiàng)研究證明了貝氏體鈦合金通過(guò)其獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)具有增強(qiáng)機(jī)械性能的潛力。通過(guò)晶界工程和通過(guò)引入更多成核點(diǎn)來(lái)細(xì)化晶粒，這種合金系統(tǒng)具有更大的潛力來(lái)進(jìn)一步改善機(jī)械性能�！�