导读:本文通过添加至约0.4wt%的Ni避免了脆性的共析Ti2Ni相的形成,并且在选择性激光熔化的Ti-0.4Ni合金中获得了由纳米级板条α'组成的超细且可延展的显微组织。Ni的固溶强化和细化效果导致强度从纯Ti的〜745 MPa显著提高到Ti-0.4Ni合金的〜1120 MPa,并且具有8.8%的良好伸长率。通过对钛合金进行微合金化处理,可以提高增材制造钛合金的性能。
增材制造(AM)也被称为3D打印,是一种革命性的粉末冶金技术,可以直接快速制造具有极其复杂配置的金属部件,包括逐层熔化粉末。同时,也给冶金与材料科学的发展带来了新的挑战和机遇。选择性激光熔化(SLM)是一种重要的金属AM技术。其特征是超快冷却速度3×10^8 K / S。因此,SLM在组织是非平衡,可通过SLM过程可使金属进行微结构设计。
在传统的冶金方法中,要小心地在钛合金中加入促进共析反应的共析形成元素Cu和Ni,因为它们会促进脆性相Ti2M的形成,导致脆性。而共析形成元素(Cu、Fe、W等)可以细化增材制造钛合金的微观组织。研究表明,Cu对Ti-Cu合金在拉伸过程中的生长抑制因子(Q)起作用,并通过形成细小等轴α-Ti来细化最终组织。然而,Ti2Cu存在于Ti-Cu合金中,导致其脆性。因此,利用共析形成元素的晶粒细化作用,可避免形成共析TixM金属间化合物,是开发具有良好力学性能的新型AM钛合金的一个方面。
在此,上海交通大学李柱国教授团队通过SLM调节共析相形成元素Ni的加入,成功地避免了脆性Ti2Ni相的形成,从而产生了强韧性Ti-Ni合金。该方法关键在于利用Ni作为微合金化元素,通过优化SLM的能量密度(E),促进无共析Ti2Ni的超细非平衡组织的形成。SLM Ti-0.4Ni的强度由~ 920 MPa提高至1120 MPa,同时还有8.8%的断后伸长率。相关研究成果以题“Hierarchical refinement of nickel-microalloyed titanium during additive manufacturing”发表在Scripta Materialia上。
论文链接:
https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.113727
为了探究SLM Ti-0.4Ni的性能,作者使用了不同的SLM参数:参数1(输入能量E= 111.1 J/mm3)、参数2 (E=83.3J/mm3)、参数3 (E= 66.6J/mm3)。图2h显示了不同参数的打印态Ti-0.4 ni合金的拉伸应力-应变图,并与纯Ti进行了对比。在相同的SLM参数(参数1)下,Ti -0.4 Ni合金的强度提高了175 MPa,达到~920 MPa,而纯钛为745 MPa。随着E值从111.1 J/mm3(参数1)降至66.6 J/mm3(参数3),SLM Ti-0.4Ni的强度由~ 920 MPa提高至1120 MPa,伸长率由11.4%降低至8.8%。
图1。具有不同Ni含量的Ti @ Ni复合粉末的SEM形态:(a)3.0 wt。%Ni,(d)1.6 wt。%Ni,(j)0.4 wt。%Ni,(m)纯Ti。沿SLM Ti-Ni钛合金和纯Ti的生成方向的SEM显微组织:(b)Ti-3Ni,(e)Ti-1.6Ni,(k)Ti-0.4Ni,(n)纯Ti。(c)Ti-3Ni,(l)Ti-0.4Ni,(o)纯Ti的EBSD逆极图(IPF)图。在拉伸试验之前从基板上切下后的拉伸试样的宏观形态:(f)Ti-3Ni,(g)Ti-1.6Ni,(h)Ti-0.4Ni。(i)Ti-0.4Ni拉伸试样的韧性断裂的SEM形貌。(b1),(c1),(e1),(k1)和(n1)分别是(b),(c),(e),(k)和(n)的放大视图。
图2。沿SLM Ti-0.4Ni合金扫描方向的SEM和TEM显微照片:(a)参数1,(b)参数2,和(c)参数3。参数1,参数2和参数3对应于能量密度(E 111.1)的J /毫米3,83.3焦耳/毫米3和66.6焦耳/毫米3, 分别。(d)和(f)分别带有参数1和参数3的印刷Ti-0.4Ni样品的EBSD逆极图(IPF)图。(g)和(i)谱带对比图加上分别对应于(d)和(f)的晶界,将具有不同取向(θ)的晶界绘制为带有颜色的线(黄色(15°<θ<45° )和蓝色(θ> 45°))。(e)从打印后的纯Ti和Ti-0.4Ni合金获得的XRD实验,其中参数1和参数3表示样品中仅存在hcp-α'相,而没有Ti 2 Ni相。(h)具有不同参数的印刷Ti-0.4Ni样品的拉伸应力-应变曲线,并与纯Ti样品进行比较。
图3。(a)使用参数3(E = 66.6 J / mm 3)制成的SLM Ti-0.4Ni合金的显微组织的HAADF图像,(b)对应于(a)中的α'-Ti的选定区域电子衍射(SAED)图案),(c)和(d)对应于(a)显示Ni和Ti分布的EDX图。
图4。(a)Ti-Ni相图的一部分,表明选择进行选择性激光熔化的成分(0.4 wt。%),(b)连续冷却转变图的示意图,说明了Ti-0.4Ni合金在不同温度下的不同固-固相变途径在不同的冷却速率下,Ms代表马氏体转变开始温度。经过SLM处理的β相的超高冷却速率(v1,v2和v3,v1 <v2 < v3)完全转变为α'相,而没有发生β→α+ Ti 2 Ni反应。(c)在不同的冷却速度(v1和v3)下,SLM纯Ti和Ti-0.4Ni合金的相变行为示意图。
总之,微合金化的镍(0.4%(wt))可显著增强SLM Ti-0.4Ni合金的强度。微合金化与Ni的结合以及优化的SLM参数有助于形成具有捕获的Ni的超细非平衡α'-马氏体,并避免了脆性共析相的形成。这导致了分层精炼的SLM Ti-0.4Ni合金。Ni的固溶强化和细化效果导致强度从纯Ti的〜745 MPa显著增加到Ti-0.4Ni合金的〜1120 MPa,并且具有良好的伸长率8.8%。