原位Ni合金化增強激光輔助增材制備Ti-6Al-4V合金

來源：長三角G60激光聯(lián)盟

導讀：據(jù)悉，鈦合金具有密度低、比強度高、耐腐蝕性好等優(yōu)點，在航空航天、汽車、醫(yī)藥等領域得到了廣泛的應用。為了滿足輕量化和高性能的要求，基于“離散+積累”原理開發(fā)的激光輔助增材制造（LAAM）技術在鈦結構件制造中逐漸顯示出廣闊的應用前景。LAAM鈦合金的典型微觀結構是外延生長的柱狀晶粒。這種微觀結構特征導致了強烈的<001>織構，這通常被認為是各向異性力學性能甚至強度降低的主要原因。

原位鎳合金化對LAAM Ti-6Al-4V合金的顯微組織有四種影響。（i）鎳增材能顯著細化β晶粒。（ii）鎳增材可明顯誘導球狀α相的形成。（iii）鎳增材可以誘導Ti2Ni納米顆粒的沉淀。（iv）Ni是一種著名的β-穩(wěn)定劑，它可以顯著增加β相的體積分數(shù)。室溫拉伸結果表明，隨著鎳增材量的增加，機械強度增加，伸長率幾乎呈線性下降。采用改進的數(shù)學模型對強化機理進行定量分析。結果表明，在本研究中，α板條相和固體溶質對LAAM構建的Ti-6Al-4V-xNi合金的整體屈服強度貢獻最大。

在《International Journal of Extreme Manufacturing》（IF:10.036）上發(fā)表的一篇新論文中，一個聯(lián)合研究團隊，包括新加坡制造技術研究所的Youxiang Chew博士、Fei Weng,博士、Chaolin Tan博士和Zhenglin Du博士，以及廣東智能制造研究所的Guijun博士，采用原位鎳合金化方法對LAAM-Ti-6Al-4V合金進行了微觀結構調整，提高了合金的強度。鎳在AM構建的Ti–6Al–4V合金上增材的內在機制已得到很好的確定，這有助于促進AM定制鈦合金的開發(fā)。

實驗細節(jié)

鎳增材對LAAM Ti-6Al-4V合金的顯微組織有以下四種影響：（i）隨著鎳含量的增加，LAAM Ti-6 Al-4V-xNi的前β晶粒形態(tài)逐漸由柱狀變?yōu)榈容S狀，尺寸先減小后增大。（ii）隨著鎳含量的增加，形成更多球狀α相。（iii）鎳增材誘導Ti2Ni納米顆粒沉淀。（iv）鎳增材增加了β相的含量，而降低了α相的含量。因為它是一種β-穩(wěn)定元素。因此，LAAM Ti-6Al-4V-xNi合金的屈服強度和抗拉強度隨Ni含量的增加呈線性增加，而塑性則呈相反的趨勢。

首席研究員之一Bi Guijun博士表示，“激光輔助增材制造（LAAM）技術以粉末喂料為特征，可以實時調整化學元素的含量，實現(xiàn)原位合金化，在闡明合金元素效應和開發(fā)定制合金方面具有顯著優(yōu)勢。”

先驗β晶粒的OM觀測及定量統(tǒng)計結果。(a) Ti–6Al–4V; (b) Ti–6Al–4V–1.1Ni; (c) Ti–6Al–4V–1.7Ni; and (d) Ti–6Al–4V–2.5Ni.

鎳元素在鈦合金中有增大成分過冷度的大趨勢，通常會導致鑄件中嚴重的宏觀偏析。第一作者Shang Sui博士解釋說：“LAAM工藝中的冷卻速度可以達到103-105°C/s，顯著抑制宏觀元素的偏析。因此，共析元素Ni對鑄件來說并不理想，通過控制其含量，可能適合于LAAM處理的鈦合金�！�

Fei Weng博士解釋道：“與鎳元素類似，銅也是共析元素，不適合鑄造鈦合金。然而，最近在《Nature》雜志上發(fā)表的文章表明，添加銅可以促進超細晶粒的形成，并在添加金屬的鈦合金中產生高強度�！�

本研究詳細研究了微觀結構演變和強度增強的基本機制。終止質量遷移理論表明，元素在α相和β相之間的擴散是α相球化的主要驅動力。此外，還采用了改進的強化模型來定量計算屈服強度。定量分析表明，精制α板條相和固體溶質的強化作用對LAAM制備的Ti-6Al-4V-xNi（x=0，1.1，1.7，2.5 wt.%）合金的整體屈服強度起主導作用。

TEM檢測到LAAM構建的Ti–6Al–4V–xNi（x=1.1，2.5 wt.%）合金的結果。（a） Ti–6Al–4V–1.1Ni合金中的Ti2Ni納米顆粒。（b） Ti–6Al–4V–2.5Ni合金中的Ti2Ni納米顆粒。

此外，鎳是一種β-穩(wěn)定元素，將在β相富集。β相中的大量固溶體鎳原子顯著提高了其強度，同時降低了材料的變形能力。考慮到鈦合金中α相和β相交替排列，β相變形能力的惡化限制了α相的變形，導致伸長率降低。

LAAM構建Ti–6Al–4V–xNi（x=0，1.1，1.7，2.5 wt.%）合金的斷口分析。

來源：Study of the intrinsic mechanisms of nickel additive for grain refinement and strength enhancement of laser aided additively manufactured Ti–6Al–4V, International Journal of Extreme Manufacturing, 10.1088/2631-7990/ac6b61