鈦合金增材制造過(guò)程中，特別是在基于粉末床的選區(qū)激光熔化（L-PBF）過(guò)程中，由于快速的冷卻速率，可以在鈦合金基體中形成均勻分布的薄片狀TiC沉淀相以及復(fù)雜的位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這些位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)不僅將TiC顆粒相互連接，同時(shí)也將它們與晶界相連接。通過(guò)控制位錯(cuò)的密度和分布，可以優(yōu)化鈦合金的力學(xué)性能。
本文將介紹北京航空航天大學(xué)邱春雷教授團(tuán)隊(duì)研究人員在材料科學(xué)領(lǐng)域國(guó)際知名期刊Materials Research Letters (Impact Factor: 8.6) 上發(fā)表的論文 “Dislocation network mediated grain boundary engineering in an additively manufactured titanium alloy”。論文第一作者為陳旭博士，通訊作者為邱春雷教授。
摘要
鈦合金在制造或熱處理過(guò)程中經(jīng)常會(huì)形成連續(xù)的晶界α相(CGB-α)，導(dǎo)致諸如塑性、疲勞等力學(xué)性能的降低。增材制造因其快速的冷卻速率能夠抑制鈦合金晶界α相的形成，但在之后的熱處理過(guò)程中易析出CGB-α。為了克服該問題，北航邱春雷團(tuán)隊(duì)提出了基于增材制造鈦合金中復(fù)雜位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)開展晶界工程的新概念，通過(guò)晶界工程在熱處理過(guò)程在晶界優(yōu)先析出分散的沉淀顆粒，以抑制CGB-α的形成。具體地，他們?cè)谝环N含碳的鈦合金中通過(guò)選區(qū)激光熔化在基體形成了均勻分布的薄片狀TiC沉淀相以及復(fù)雜的位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將TiC顆粒相互連接，同時(shí)又將它們與晶界相連接，固溶處理時(shí)，位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)促進(jìn)了晶內(nèi)碳化物的溶解和晶界離散TiC顆粒的形成。在時(shí)效處理過(guò)程，這些晶界碳化物抑制了CGB-α的形成，取而代之的是不連續(xù)的晶界α。該晶界結(jié)構(gòu)與晶內(nèi)高密度的納米α顆粒一同使合金展現(xiàn)出優(yōu)異的強(qiáng)度-延展性結(jié)合。該研究表明，基于增材制造金屬材料位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的晶界工程是有效調(diào)控微觀組織，改善力學(xué)性能的重要手段。
關(guān)鍵詞
鈦合金；選區(qū)激光熔化；晶界工程；微觀結(jié)構(gòu)；拉伸性能
研究人員在選區(qū)激光熔化的Ti-Mo-Cr-Co-0.1C合金中觀察到大量均勻彌散分布的薄片狀TiC沉淀相（如圖1a-b,f），這些TiC顆粒通過(guò)復(fù)雜的位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)彼此連接，并與晶界相連通（如圖1d-e）。合金經(jīng)固溶處理后，位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)促進(jìn)了TiC顆粒溶解，碳原子擴(kuò)散到晶界，形成離散分布的TiC顆粒（圖1g-i）。由于這些碳化物顆粒的存在，時(shí)效處理后，晶界處并未形成連續(xù)α相（圖1j,k），實(shí)際上晶界α相被TiC顆粒打斷（如圖2a），有的晶界甚至沒有α相的存在（如圖2b），這表明晶界TiC顆粒抑制了連續(xù)的晶界α相的形成。此外，時(shí)效還促使合金晶粒內(nèi)部析出高密度的納米級(jí)α沉淀相（圖1j-l、圖2）。
圖1 (a-f) 打印態(tài)、(g-i) 固溶態(tài)和(j-l) 時(shí)效態(tài)Ti-Mo-Cr-Co-0.1C合金的微觀結(jié)構(gòu)
圖2 時(shí)效處理的Ti-Mo-Cr-Co-0.1C合金微觀組織
圖3展示了不同制備狀態(tài)的Ti-Mo-Cr-Co-0.1C合金的拉伸性能。從中可見，打印態(tài)的合金發(fā)生了脆性斷裂，這是由于合金基體中均勻分布著薄片狀TiC顆粒，會(huì)使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)變得非常困難，從而導(dǎo)致合金脆化。薄片狀TiC的形態(tài)及其本身的脆性屬性也會(huì)導(dǎo)致合金脆化。固溶處理后的合金展現(xiàn)出較高的屈服強(qiáng)度（～1100 MPa）和延伸率（>10%）。合金具有良好塑性的原因是固溶處理使晶內(nèi)TiC溶解，消除了TiC對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用，使位錯(cuò)可以更自由地滑移。時(shí)效使合金的屈服強(qiáng)度進(jìn)一步提高，達(dá)到1170 MPa，極限強(qiáng)度則達(dá)到了1199 MPa，延伸率接近8%，合金的應(yīng)變硬化率和均勻延伸率也大幅提高。對(duì)合金二次裂紋擴(kuò)展行為的研究發(fā)現(xiàn)，晶界TiC顆粒的存在改變了合金的斷裂模式（圖4d-f），即晶界TiC顆粒導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展路徑發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使裂紋尖端發(fā)生鈍化，有效阻礙裂紋擴(kuò)展，提高了材料的塑韌性。
圖3 不同狀態(tài)的Ti-Mo-Cr-Co-0.1C合金的（a）工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線和（b）真應(yīng)力-應(yīng)變曲線
圖4 (a) 打印態(tài)、(b) 固溶態(tài)和(c) 時(shí)效態(tài)Ti-Mo-Cr-Co-0.1C合金拉伸后的斷口形貌以及(d-f)時(shí)效態(tài)合金中的二次裂紋擴(kuò)展路徑
對(duì)時(shí)效態(tài)合金的變形亞結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，變形后的合金中α沉淀相周圍聚集了高密度的位錯(cuò)（圖5a-b），表明α相可以有效阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，有利于提高應(yīng)變硬化率、最高強(qiáng)度和均勻延伸率。另一方面，α沉淀相內(nèi)部也存在一定密度的位錯(cuò)（圖5c-d），表明位錯(cuò)可以剪切通過(guò)α析出物，有利于塑性變形，防止材料過(guò)早地失效。這與不連續(xù)的GB-α結(jié)合促進(jìn)了良好總延伸率的獲得。
圖5 拉伸后的(a) 固溶態(tài)和(b-d) 時(shí)效態(tài)Ti-Mo-Cr-Co-0.1C合金中的變形亞結(jié)構(gòu)
本研究首次提出了一種基于增材制造鈦合金中復(fù)雜位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的晶界工程策略，有效抑制了連續(xù)晶界α相的形成，促進(jìn)優(yōu)異強(qiáng)度-塑性結(jié)合的獲得。本研究的發(fā)現(xiàn)為抑制鈦合金中連續(xù)晶界α相的形成提供了新途徑，對(duì)鈦合金的微觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要參考價(jià)值。
文獻(xiàn)鏈接：
Chunlei Qiu* & Xu Chen (2024) Dislocation network mediated grain boundary engineering in an additivelymanufactured titanium alloy, Materials Research Letters,12:11,797-805. (原文鏈接：https://doi.org/10.1080/21663831.2024.2385969)
來(lái)源
Materials Research Letters l
北航邱春雷團(tuán)隊(duì)：抑制鈦合金中連續(xù)晶界α相新策略
