SLM鈦合金中的悖論:完全馬氏體的高延展性

來源：高溫合金精密成型研究中心

SLM態(tài)Ti-6Al-4V合金因其制造過程中的高冷卻速率（~106k/s）產(chǎn)生了大量的α’相，且材料的延展性較低（<8%），許多研究將延展性低歸因于α’相的固有脆性，這一說法并沒有被確切證明。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在強(qiáng)α/β界面處，缺乏β相會(huì)導(dǎo)致應(yīng)變不相容，只留下hcp相之間的界面(即α/α，α’/α’，α/α’)能夠更均勻地分布應(yīng)變，使材料有更好的延展性。本文將報(bào)道完全馬氏體SLM態(tài)Ti-6Al-4V合金，并最終實(shí)現(xiàn)了14–15%的拉伸伸長率和1150MPa的屈服強(qiáng)度的結(jié)合，可與鍛造態(tài)或低溫時(shí)效后的雙相Ti-6Al-4V相比。


實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
采用交叉掃描策略，通過改變脈沖激光相鄰激光點(diǎn)之間的點(diǎn)距離（PD）控制掃描速度，加工氣體霧化Ti-6Al-4V粉末成型，分別編號(hào)為PD-45、PD-55，對(duì)樣品進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，重復(fù)三次測試其力學(xué)性能，通過光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡和透射電子顯微鏡進(jìn)行顯微組織結(jié)構(gòu)表征，并且使用XRD衍射儀測試其相組成。

圖文導(dǎo)讀

SLM成形Ti-6Al-4V合金微觀組織結(jié)構(gòu)

(a) PD-55 OM; (b) PD-45 OM；(c) PD-55 SEM; (d) PD-45 SEM; (e) XRD; PD-45；圖(d)A-A截面TEM圖像：(f) SAEDP圖像； (g) DF標(biāo)定.
由圖(a)、(b)OM圖所示，兩組樣品中板條α’相與堆積方向成45°角，β晶粒發(fā)生外延生長呈柱狀，PD-45中，板條α’相的平均長度從80μm減少了近40%，而PD-55，板條α’相的平均長度從50μm減少了近40%；由圖(c)、(d)所示，板條α’相間出現(xiàn)了更細(xì)小的α’’；圖(e)XRD圖譜中兩組樣品并沒有β峰出現(xiàn)，但是在PD-45TEM圖中，觀察到在板條α’相間由少量β相生成。

(a) 兩組樣品應(yīng)力應(yīng)變曲線；(b)PD-55拉伸實(shí)驗(yàn)后樣品示意圖；(c)PD-55斷口上的韌窩;(d) PD-45的平坦斷裂面;(e) PD-45脆性斷裂和韌性斷裂示意圖

由圖二(a)、(b)所示，兩組樣品的屈服強(qiáng)度均達(dá)到1150MPa，斷裂強(qiáng)度達(dá)到5-6，延展性達(dá)到14-15%，圖(c)進(jìn)一步驗(yàn)證了PD-55良好的延展性，圖(d)、(e)表明了PD-45斷裂表面是平坦的，可以觀察到同時(shí)存在脆性斷裂和韌性斷裂。

PD-55 SEM圖像

(a) 原始態(tài)圖像；(b) 拉伸試驗(yàn)后頸縮區(qū)圖像；(c) 頸縮區(qū)明場像 (d) 區(qū)域D進(jìn)一步放大(e) SEDP圖像.
由圖三(a)、(b)所示，PD-55組織中針狀α’相明顯變形和細(xì)化，以至于其針狀形態(tài)變得難以辨認(rèn)；圖(c)、(d) TEM圖像證實(shí)了這一點(diǎn)；由圖(e)所示呈現(xiàn)α’環(huán)，且呈隨機(jī)取向。

PD-45拉伸后斷裂剖面示意圖

(a) 與拉伸方向成40°角的宏觀切面 (b) (a)中圓圈區(qū)域的進(jìn)一步放大;. (c) 插圖中標(biāo)記的BB剖面的TEM; (d)明場像; (e) d中區(qū)域放大; (f) SAEDP圖像
由圖(a)所示，PD-45斷裂面(虛線)與拉伸方向成40°角，圖(b)中的α’相平行分布，從圖(c) 沿BB截面凹陷區(qū)域的透射電鏡顯示嚴(yán)重變形的α’相存在著位錯(cuò)胞，圖(f)也顯示了α’環(huán)呈隨機(jī)取向。


結(jié)論
1. SLM態(tài)Ti-6Al-4V合金完全馬氏體可以實(shí)現(xiàn)1150MPa屈服強(qiáng)度和14-15%延伸率的優(yōu)異結(jié)合，與鑄造態(tài)Ti-6Al-4V合金性能媲美。
2. 優(yōu)化SLM工藝參數(shù)得到完全馬氏體可以避免α’/β界面應(yīng)力集中和裂紋擴(kuò)展。
3. 塑性變形通過位錯(cuò)滑移進(jìn)行，α’環(huán)呈隨機(jī)取向。