大连理工大学MC : 激光增材制造Ti6Al4V-Inconel 718梯度材料的界面金属间相变机制

来源：先进焊接技术

大连理工大学高性能精密制造国家重点实验室在《Materials Characterization》期刊发表了一篇名为“Intermetallic phases transition mechanism of the interface of Ti6Al4V-Inconel718 graded material by laser additive manufacturing-激光增材制造Ti6Al4V-Inconel 718梯度材料的界面金属间相变机制”的论文。本研究采用激光增材制造技术制备Ti6Al4V-Inconel 718梯度材料，根据金属间化合物相的类型对两种材料梯度界面进行划分，分析界面处不同区域金属间化合物相的分布，揭示了合金中主要元素的转变和各金属间化合物相的形成路径、分布和形貌，为调控梯度材料组织结构和中间合金相提供理论指导。研究得到了中央大学基本科研业务费专项资金和国家自然科学基金的支持。

功能梯度材料是将不同材料的特性组合到同一个组件中，使组件在不同位置具有不同的特性或功能。例如，高超声速飞行器的姿态控制栅格翼，要求前段迎风面耐高温，中、后段比强度高、重量轻。均质材料难以达到强度高、质量轻等复杂使用要求。激光增材制造技术具有较高的制造柔性，在部件可以制备过程中任意改变材料的种类和比例，从而方便地实现梯度材料的制备。同时，由于激光增材制造在部件制造方面提供了高度的灵活性，因此可以实现复杂部件的集成制造。该技术完全可以满足功能梯度复杂结构的制造需求。钛合金-高温合金梯度材料结合了钛合金的高比强度和高温合金的耐高温性能，完全可以满足姿态控制栅格翼等关键部件的复杂服役要求。

由于Ti6Al4V-Inconel 718梯度材料在连接时产生的Ti2Ni和TiNi等脆性金属间化合物，会导致界面显微硬度提高，界面处发生开裂，限制了其应用。针对这一问题，学者们通过添加过渡层、优化添加剂工艺参数、热处理等方式减少脆性相的产生，抑制裂纹的产生。目前，对Ti6Al4V-Inconel 718梯度界面金属间化合物相的类型、形成及转变机制的研究还不够深入。两种材料界面处金属间相的转变和分布不清楚。因此，本文采用激光增材制造技术制备了Ti6Al4V-Inconel 718梯度材料，通过热力学计算预测了界面各区域金属间相的种类和含量的变化规律，分析了Ti6Al4V-Inconel 718梯度界面不同区域金属间化合物相的分布，揭示了合金中主要元素Ti、Ni的转变及金属间化合物相的形成路径，对梯度材料中金属间相的调控提供理论依据。

主要试验数据如下：

图 1试样显微组织 （a）试样横截面；（b）Ti6Al4V区的显微组织；（c）Inconel 718的显微组织；（d）-（e）试样过渡区Ⅰ区的显微组织；（f）-（g）试样过渡区Ⅱ区显微组织；

（h）-（i）样品过渡区Ⅲ区显微组织

图 2 试样界面相XRD分析结果

图 3 过渡界面II区的TEM分析结果 （a）II区的微观结构;（b-c）相应位置的选区电子衍射;（d-f）微观结构中紫框区的元素分布

图 4试样Ⅲ区元素分布结果

图 5过渡界面Ⅲ区的TEM分析结果 （a-b）Ⅲ区不同位置的显微组织和元素分析结果；（c-f）相应位置的选区电子衍射

图 6试样过渡界面相分布示意图

图 7 不同元素含量的Ti6Al4V/Inconel 718复合材料相含量计算结果

图 8 Ti6Al4V和试样I区的显微组织分析 （a）相分布图；（b）取向图；（c）反极图；（d）KAM图

主要结论：
在Marangoni效应和材料密度差的作用下，Inconel 718和Ti6Al4V在界面处相互交错，梯度界面不均匀。Ti6Al4V中含有α-Ti和β-Ti相，在梯度界面附近呈细片状，并从Ti6Al4V向过渡界面延伸。Inconel 718含有γ和Laves相。Laves相的分布取决于基体γ的枝晶形态。Inconel 718合金的相变顺序一般为L → L + γ → L + Laves + γ。首先，形成γ相。随着γ枝晶的增多，液相中Mo、Nb、Ti元素的浓度逐渐增大。当达到一定浓度时，发生L → Laves + γ反应。

根据金属间化合物相类型的不同，将梯度界面划分为三个区域。随着Ti元素的减少和Ni元素的增加，Ti2Ni、TiNi和Ni3Ti依次形成。Ⅰ区的主要相为片状Ti2Ni，含有少量β-Ti和α-Ti。主相由液相直接形成或由L → β-Ti + Ti2Ni共晶反应形成。与Ti6Al4V相比，区域I的织构强度明显减弱，晶粒各向异性增强。同时，由于不同相之间的韧性差异和热应力的存在，导致了形变失配，使得Ti6Al4V区与Ⅰ区的界面处以及部分Ti2Ni相中的KAM值较高。

Ⅱ区相主要由TiNi、AlNi和少量Ti2Ni组成。TiNi和AlNi是由液相直接生成的，而Ti2Ni主要是通过L + TiNi → Ti2Ni的包晶反应生成。Ⅲ区主要由Ni3Ti、Fe2Ti相和少量FeTi、γ、FeCr相所组成。首先在液相中形成Ni3Ti和Fe2Ti，然后通过包晶反应L + Fe2Ti → FeTi和共晶反应L → Ni3Ti + γ形成少量FeTi和γ相。此外，Cr元素在局部区域聚集，形成少量的FeCr相。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.matchar.2024.114183