曼彻斯特大学：第二相质点细化电弧增材钛合金晶粒尺寸研究

电弧增材制造的钛合金构件易形成粗大的柱状晶组织，造成成形构件力学性能的下降，严重限制电弧增材制造钛合金构件的应用。为了细化β相的晶粒尺寸，曼彻斯特大学的Kennedy等人分别研究了ZrN、TiN在堆积熔池中的热稳定以及存在机理，并结合EBSD对第二相质点与β相晶粒之间的位向关系进行了分析，对比分析了两种质点的作用效果。

△图1 论文首页.

△图2 电弧增材制造以及第二质点添加原理.

实验中，曼彻斯特大学的Kennedy等人将TiN和ZrN 粉末与聚氨酯粘合剂预混合制成混合剂，每堆积一层将混合剂涂覆在已堆积金属的表面，而后进行下一层堆积成形，堆积得到的式样总共有四组，分别为对照1（Ti64）、对照组2（Ti64-聚氨酯）、实验组1（Ti64-聚氨酯-0.26wt.% TiN）、实验组2（Ti64-聚氨酯-0.45w.t% ZrN）。

△图3 电弧增材制造钛合金β相的EBSD照片：(a),(c) Ti64; (b),(d) Ti64-聚氨酯.

对对照组1和对照组2的微观组织（图3）进行观察分析可知，聚氨酯的添加并不会对电弧增材制造钛合金的微观组织产生影响，堆积构件的微观组织呈现明显的粗大晶粒组织。

结合对照组2以及实验组1的微观组织（图4）进行观察分析可知，随着TiN的添加，晶粒尺寸已从接近厘米级的大柱状晶粒显着减小到平均直径约300 μm，具有更加等轴的形态。通过利用 Burgers 取向关系的EBSD 研究表明（图5），在细化的初生β晶粒和TiN颗粒之间可以证明Kurdjumov-Sachs 取向关系。

结合对照组2、实验组1以及实验组2的微观组织（图6）进行观察分析可知，ZrN颗粒没有表现出与 TiN 观察到的相同的有效晶粒细化。虽然证明了一些晶粒细化潜力，但ZrN 颗粒没有提供足够密度诱导形核。

△图4添加TiN式样的(a) 光学图像 (b) α相IPF//ND方向，图(c) β相IPF//ND方向图，(d)和(e)在施加TiN粉末之前，分别从顶部 TiN 掺杂层和壁的底部获得相应织构。

△图5 从图4c 所示区域构建的TiN粒子簇示例: (a),(b) 光学图像; (c) IPF//ND 彩色对比 EBSD 图重建矩阵 β 晶粒结构; (d) 每个簇内的TiN粒子取向。

△图6 添加ZrN的式样中重建β相EBSD取向数据；(a) 整个壁截面的 IPF//ND β 取向图，(b) 和 (c) 分别在施加 ZrN 粉末之前来自顶部 ZrN 掺杂层和壁底部的相应纹理。

从这项研究中还可以明显看出，在增材制造中实施立方氮化物孕育的关键技术挑战是开发一种优化的方法来引入粒子，从而在低受控剂量率下更均匀地将它们分散在熔池中。

编译 代轶励