吉林大學徐曉峰教授：實現(xiàn)增材制造Ti-6Al-4V合金強度和耐腐蝕性能的同時提升

來源： 材料科學和技術(shù)
第一作者：大連理工大學  嚴旭東助理研究員
通訊作者：吉林大學  徐曉峰教授
通訊單位：吉林大學
DOI: 10.1016/j.jmst.2023.12.060

常規(guī)熱處理作為后處理通常會導致選區(qū)激光熔化（SLM）制備的Ti-6Al-4V合金的屈服強度和耐蝕性下降，主要原因是α板條的粗化和合金元素的配分（AEP）。本研究發(fā)現(xiàn)，電脈沖可以抑制初生α的生長和AEP的進行，它還能在β轉(zhuǎn)變區(qū)引入了更細的α′板條，產(chǎn)生一種初生α與β轉(zhuǎn)變區(qū)元素濃度差異很小的新型雙板條微觀組織結(jié)構(gòu)。性能測試結(jié)果表明，β轉(zhuǎn)變區(qū)較高的Al元素含量和更細的α′板條使得電脈沖處理試樣的屈服強度（952 MPa）顯著高于熱處理的試樣（855 MPa）；電脈沖誘導的新型雙板條微觀組織結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出高的極化電阻，更厚并且更穩(wěn)定的鈍化膜，進而提高了SLM Ti-6Al-4V合金的耐腐蝕性能。

由于極快的冷卻速率（約103 – 108 K/s）和復雜的熱循環(huán)，選區(qū)激光熔化（SLM）Ti-6Al-4V合金的微觀結(jié)構(gòu)通常含有高密度的晶體缺陷。因此，往往需要進行后處理來優(yōu)化微觀結(jié)構(gòu)，進而提高機械和耐腐蝕性能。 SLM Ti-6Al-4V 最常用的后熱處理是兩相區(qū)溫度下的固溶和退火處理。然而，由于α板條的粗化和合金元素配分（AEP）導致的元素偏聚，這些傳統(tǒng)的熱處理方法會導致合金的耐腐蝕性能惡化。相比之下，我們之前的研究（Journal of Alloys and Compounds 899 (2022) 163303）發(fā)現(xiàn)，結(jié)合熱效應和非熱效應的電脈沖處理可以有效抑制合金元素的擴散和晶粒粗化，進而實現(xiàn)了Ti-6Al-4V合金力學性能的顯著提升�；�于這一觀察，我們假設(shè)通過對 SLM Ti-6Al-4V 進行電脈沖處理（將其加熱至兩相區(qū)溫度，然后進行水冷固溶處理），從而抑制初生α相的粗化和由AEP導致的元素偏聚，這可能會促使強度和耐腐蝕性能的協(xié)同改善。

研究內(nèi)容
1.利用電脈沖在SLM Ti-6Al-4V合金中構(gòu)建了一種新型雙板條微觀組織結(jié)構(gòu)。

2.電脈沖的快速加熱致使β轉(zhuǎn)變區(qū)的Al含量顯著高于普通的熱處理組織，進而實現(xiàn)更高的強度。

3.電脈沖產(chǎn)生的新型雙板條微觀組織結(jié)構(gòu)具有更低的元素偏聚程度和更小的板條寬度，因而表現(xiàn)出更優(yōu)異的耐腐蝕性能。

本研究采用的原材料是選區(qū)激光熔化（SLM）制備并去應力退火（650 ℃保溫4 h）的Ti-6Al-4V合金，在如圖1所示的自制電脈沖設(shè)備上對其進行電脈沖處理，處理時間為340 ms，到達最高溫度后馬上進行冷水降溫，紅外測溫檢測到的最高溫度為900 ℃左右，同時進行了一組900 ℃保溫1 h的常規(guī)熱處理實驗作為對照組。

圖1 電脈沖處理過程和樣品尺寸的示意圖。

原始 (AR)、熱處理 (HT) 和電脈沖處理 (EPT)樣本的 TEM 明場照片如圖2所示。AR樣品的微觀組織結(jié)構(gòu)由板條狀α相和細小顆粒狀β相組成（如圖2（a）中的紅色圓圈所示，并由圖2（b）中的選區(qū)電子衍射（SAED）圖案證實）。HT樣品呈現(xiàn)出典型的雙板條微觀組織結(jié)構(gòu)，由粗大的初生α板條（αp）和β轉(zhuǎn)變區(qū)（βt）中細小的α′板條構(gòu)成，如圖2（c，d）所示。由αp僅經(jīng)歷生長而沒有任何相變，因此與AR中的α相比，其寬度更寬。與HT樣品相比，EPT樣品表現(xiàn)出不同的微觀組織結(jié)構(gòu)，具有更小的片層寬度的αp和βt區(qū)域（約500 nm，如圖2(e)所示），此外βt區(qū)域中的α′也明顯更細。

圖2 不同狀態(tài)SLM Ti-6Al-4V合金的TEM明場照片：(a) 制造去應力退火態(tài)（AR），(b) 紅色圓圈所示區(qū)域的SAED圖案，(c) 熱處理態(tài)（HT），(d) HT微觀組織的部分放大圖，(e) 電脈沖處理態(tài)（EPT）和(f) EPT微觀組織的部分放大圖。

使用EBSD、TKD和EDS對樣品的微觀結(jié)構(gòu)進行了進一步表征，結(jié)果如圖3所示。熱處理導致α板條明顯粗化，平均寬度從2.4 μm增加到3.4 μm，增加了約42%。此外，α的面積分數(shù)從96%左右下降到68%。相反，電脈沖處理并沒有顯著影響α寬度，僅略微增加約17%至2.8 μm。α的面積分數(shù)下降至大約70%。此外，三個樣品之間的元素分布也存在顯著差異。AR樣品在小區(qū)域內(nèi)表現(xiàn)出集中的V元素（由紅色箭頭表示），而HT和EPT樣品則表現(xiàn)出較大的聚集區(qū)域（由白色箭頭表示）。與HT樣品相比，EPT的元素分布更加均勻。雖然熱處理和電脈沖處理后的原始β晶粒的形態(tài)和尺寸差異很小，但是不同程度的α板條生長、細小α′板條的形成以及元素分布的改變也會對Ti-6Al-4V的力學性能和耐腐蝕性能產(chǎn)生實質(zhì)性影響。

圖3 不同樣品的IPF圖、重建的原始β晶粒、晶界分布圖、TKD/放大的IPF圖、α板條寬度分布直方圖以及Al和V的相關(guān)元素分布圖：(a、b、c、 d) AR，(e，f，g，h) HT，(i，j，k，l) EPT。Al和V元素分布圖分別對應于AR樣品(d)的高倍率TKD圖片以及HT和EPT樣品的IPF圖片(h, l)。

為了克服EDS對元素分布檢測精度有限的問題，我們使用EMPA 行了額外的分析，以檢查不同狀態(tài)Ti-6Al-4V合金樣品的元素分布。結(jié)果如圖4所示。很明顯，與AR樣品和HT樣品相比，EPT樣品中Al和V元素的分布明顯更加均勻。HT中的αp和α′之間的Al和V含量差異大于EPT中的差異（分別為0.8 wt.% vs. 0.4 wt.%和3 wt.% vs. 0.9 wt.%）。這些結(jié)果表明，電脈沖處理可以有效減緩AEP的進行。

圖4 不同樣品的顯微組織和元素分布：(a-c) AR，(d-f) HT，(g-i) EPT。

同時我們利用相關(guān)的模型對元素擴散進行計算，V擴散速率和擴散距離的結(jié)果如圖5所示。在電脈沖過程中，與非熱效應相比，熱效應引起了更大的V擴散速率。因此，非熱效應引起的速率可以忽略不計（圖5（a））。擴散速率取決于340 ms的電脈沖時間。值得注意的是，400 ms之前的無熱效應的擴散速率和擴散距離可以忽略不計。電脈沖熱效應引起的擴散速率和擴散距離在250 ms之前最初非常小。 然而，在此之后，它們會隨著時間的推移而顯著增加。因此，V 原子的擴散主要發(fā)生在 250-340 ms 之間。由熱效應決定的V的總擴散距離約為0.06 μm（圖5（b））。V擴散距離約為初始β相尺寸的2/3，在電脈沖過程中，初始β相位點周圍的V含量將顯著降低，因此，水冷后αp和βt區(qū)域的成分梯度將減小。

圖5 電脈沖過程中V元素在β中的擴散速率(a)和距離(b)。

圖6 總結(jié)了AR、HT和EPT樣品的拉伸力學性能。相比AR，HT 樣品的σu和δ有所提高，但σy降低至~ 855 MPa。EPT表現(xiàn)出三種樣品中最高的σy（約 952 MPa）和σu（約 1123 MPa），并且其δ略高于AR（約13%）。樣品的加工硬化率曲線（圖9（b））表明熱處理和電脈沖都能提高SLM Ti-6Al-4V合金的加工硬化能力，從而獲得更高的σm（最大真實應力）和Δσ （最大真實應力與屈服強度之間的差異）。

圖6 樣品的拉伸性能：(a)工程應力-應變曲線和獲得的性能值，(b)加工硬化率曲線和相關(guān)性能值。

圖7(a)描繪了不同樣品在3.5 wt.% NaCl 溶液中的開路電位 (Eocp)隨浸泡時間的變化情況。AR和EPT樣品具有接近的Eocp（約 -0.38 V），而HT樣品表現(xiàn)出稍微更正的Eocp（約 -0.34 V）。圖7(b)中的動電位極化曲線表明，與AR相比，EPT樣品具有較低的鈍化電流(ip)。另一方面，HT樣品表現(xiàn)出不完全鈍化行為，如電流密度緩慢增加所示。此外，與AR樣品相比，EPT樣品的表面鈍化膜的擊穿電位(Eb)更低。圖7（c）中的擬合結(jié)果表明，EPT 樣品的腐蝕電流（Icorr，~ 0.13 μA/cm2）低于AR樣品（~ 0.16 μA/cm2），而HT樣品具有更高的Icorr（~ 0.34 μA/cm2)。計算出樣品的腐蝕速率如圖7（d）所示。EPT樣品顯示出最小的腐蝕速率，約為0.0012 mm/year。相比之下，HT 樣品表現(xiàn)出最大的腐蝕速率，約為0.0032 mm/year，大約是AR樣品腐蝕速率的兩倍。這些結(jié)果表明電脈沖可以增強SLM Ti-6Al-4V合金的耐腐蝕性能，而熱處理削弱了耐腐蝕性能。

圖7 (a) 樣品在 3.5 wt.% NaCl 溶液中的OCP曲線，(b)動電位極化曲線，(c)腐蝕電位和腐蝕電流密度，(d)通過電流密度計算的腐蝕速率。

總結(jié)與展望
在本研究中，利用電脈沖對合金元素配分（AEP）的抑制，在SLM Ti-6Al-4V合金中構(gòu)建了一種新型雙板條微觀組織結(jié)構(gòu)。借助擴散計算分析了該微觀結(jié)構(gòu)的成因，并與傳統(tǒng)熱處理的樣品進行比較。通過拉伸測試評估機械性能，而通過電化學和浸泡測試評估腐蝕性能。主要發(fā)現(xiàn)如下：在相同的兩相區(qū)溫度處理時，電脈沖處理的樣品表現(xiàn)出與熱處理相似的雙板條微觀組織結(jié)構(gòu)，但前者的αp生長和AEP過程的受到阻礙；計算結(jié)果表明，電脈沖作用下V的擴散速率和擴散距離都很小，但足以明顯降低初始β相位點的高濃度，從而導致α和βt區(qū)之間的元素濃度差異較�。粺崽幚磉^程中適當?shù)腁EP由于βt區(qū)Al元素含量較低而降低了屈服強度，而電脈沖保持了較高的Al元素含量并在βt區(qū)引入了更細小的α′，從而提高了強度；電脈沖處理有效地減小了α和βt區(qū)域之間的元素濃度差，利于形成更致密的鈍化膜，它還減少了原電池效應并增強了極化電阻；此外，該技術(shù)還可推廣到其他增材制造α+β鈦合金，同時提高其機械性能和耐腐蝕性能。

課題組介紹

嚴旭東 本文第一作者 大連理工大學 助理研究員

主要研究領(lǐng)域：增材制造鈦合金的后處理

個人簡介：2023年9月博士畢業(yè)于吉林大學，同年10月入職大連理工大學化工海洋與生命學院。主要從事生物醫(yī)用鎂合金、增材制造鈦合金后處理和海洋用金屬材料的研究工作。以第一作者在Journal of Materials Science & Technology、Corrosion Science等期刊發(fā)表論文10余篇，主持遼寧省自然科學基金聯(lián)合基金項目1項。

徐曉峰 本文通訊作者 吉林大學 教授

主要研究領(lǐng)域：金屬材料強韌化

個人簡介：教授，博導。近年來一直圍繞鋼鐵及輕合金強韌化設(shè)計開展了大量研究工作。主要從事鋼鐵、高強度鋁、鈦等合金的析出、強韌化和電致強化方面的研究工作。主持了國家自然科學基金（面上）“新型含Ca低合金高性能鎂合金電致溶質(zhì)再分布及析出相調(diào)控機制”、國家自然科學基金（青年） “超高強、高韌α+β型鈦合金的電致強化機理”項目、吉林省重點研發(fā)項目和國家重點研發(fā)專項課題子項等項目。作為第一作者/通訊作者在Journal of Materials Science & Technology、Scripta Materialia等國際知名學術(shù)期刊上發(fā)表論文40余篇。

引用本文
Xudong Yan, Xiaofeng Xu, Yachong Zhou, Zhicheng Wu, Lai Wei, Dayong Zhang, Constructing a novel bi-lamellar microstructure in selective laser melted Ti-6Al-4V alloy via electropulsing for improvement of strength and corrosion resistance, J. Mater. Sci. Technol. 193 (2024) 37-50.