《J Mater Sci》增材制造α'马氏体的分解机理！

来源：材料科学网

钛合金具有极高的比强度，使其成为航空航天工业的关键材料。其中Ti-6Al-4V（TC4）是使用最广泛的合金。增材制造（AM）是制造结构材料的一种流行的加工技术，在钛合金上也得到应用。在开发模型以预测增材制造过程中的微观结构时，了解微观结构的演变至关重要。在常规制造方法下的Ti-6Al-4V相变过程已比较明确，但增材制造工艺的特点是具有急剧的温度梯度，快速的冷却速率和多个热循环，从而在构造方向上形成了渐变的微观结构，对于Ti-6Al-4V在增材制造时的相变过程仍有争议。

美国橡树岭国家实验室和田纳西大学联合研究了连续热循环下α'马氏体的分解机理，发现α'马氏体的分解是通过剪切相变发生的，β相不是扩散产物，不同强度的热循环将导致O和V元素的分配比例不同。相关论文以题为“On the potential mechanisms of β to α'+β decomposition in two phase titanium alloys during additive manufacturing: a combined transmission Kikuchi diffraction and 3D atom probe study”于2月1日发表在Journal of Materials Science。

论文链接：https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs10853-019-03984-w

作者选用电子束熔化和激光定向能量沉积（DED）两种增材制造技术进行研究，虽然这两种技术处理条件不同，但会产生相似的微观结构，两种技术的不同在于电子束熔化需要将样品预热至600℃，DED没有预热。两种试样的显微组织均是篮式组织（α+β）。通过透射菊池衍射和3D原子探针两种手段对相变过程进行分析。原子探针分析发现β相中V含量较高，α相中富含Al而少V，大量的氧优先偏析到α-Ti以及β相中。

图1 两种技术制造的样品微观结构和APT样品

图2 DED样品的3D原子图

图3 DED样品中α/β界面和α/β等值面的接近度直方图

图4 电子束熔化样品的3D原子图

图5 电子束熔化样品中α/β界面和α/β等值面的接近度直方图

研究发现在增材制造过程中，第一层凝固过程为L→β→α'+部分β，固相β→α'转变涉及大量能量和形状变化。为了达到应变能最小化，将通过转变体的自适应或转变体的自催化成核来进行转变。β→α'转变始终遵循Burgers取向关系。在加热速率加快而进行的再加热过程中，相变产物极有可能不会完全转变为β相，所以α'马氏体相变的晶体学得以保留。在热循环诱导的扩散过程中可能会发生分区，且冷却速率会降低。

在沉积第一层中，微观结构基本上为α'+部分β。在后续层的沉积过程中，β相的份额会通过V原子在α'/β界面上的分配而缓慢增加，从而导致界面的增长。通过THERMOCALC和DICTRA计算后得知，温度范围为870–900K内，温度越低，β相中的V含量越高，这表明转化发生在较低的温度下，导致β相中的V增加。随着热循环的增加O更多的分配到β相中。

图6 DICTRA模拟α'+β在600℃回火不同时间的元素变化

图7 Thermocalc模拟α和β相中合金元素浓度随温度的变化

综上所述，作者研究了在连续热循环下α'马氏体的分解机理，α/β相变是通过剪切相变而发生的；氧的分配比随热循环强度的增加而增加；电子束熔化的样品中，V的分配比例明显更高。本项研究为后续建立增材制造相关模型提供了理论基础。