原位Ni合金化增强激光辅助增材制造Ti-6Al-4V合金

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1. 文章导读

钛合金是应用于航空航天领域重要的工程结构材料之一。发展具有高强度的新型钛合金是满足先进空天飞行器轻质高强需求的有效措施。激光辅助增材制造（Laser Aided Additive Manufacturing, LAAM）技术具有的近快速熔凝特征为新型钛合金的开发注入了新的活力。以目前应用最为广泛的钛合金Ti-6Al-4V为例，LAAM Ti-6Al-4V合金的典型微观组织是外延连续生长的粗大柱状晶，其尺寸可达1mm以上。这种显微结构不利于细晶强化，进而限制了强度的进一步提升。克服LAAM钛合金原始组织粗大的难题，对于开发新型的适用于增材制造技术的高强钛合金，以及促进增材制造技术在航空航天领域的应用，均具有重要意义。近期，新加坡制造技术研究院（SIMTech）的隋尚博士、Chew Youxiang博士、翁飞博士、谭超林博士、Du Zhenglin博士和广东省科学院智能制造研究所毕贵军博士在SCI期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同发表题为《Study on Intrinsic Mechanisms of Nickel Additive for Grain Refinement and Strength Enhancement of Laser Aided Additively Manufactured Ti-6Al-4V》的研究论文，详尽并系统地研究了Ni含量对LAAM Ti-6Al-4V合金显微组织演变和强度提升的内在机制。

如图1所示，原位Ni合金化会对LAAM Ti-6Al-4V合金的显微组织带来四个方面的影响：1）诱发柱状晶向等轴晶转变（Columnar to Equiaxed Transition, CET），细化晶粒；2）改变α相形貌，促进球状α相的生成；3）诱发Ti2Ni纳米颗粒的析出；4）α相含量减少，β相含量增加。显微组织的变化使得LAAM Ti-6Al-4V-xNi合金的强度随Ni含量的升高逐步提升，而塑性则逐渐降低。定量分析结果表明，α相和固溶原子是影响Ti-6Al-4V-xNi合金强度的主要因素。

图1 激光辅助增材制造Ti-6Al-4V-xNi合金的显微组织和力学性。

亮点：
● 采用激光辅助增材制造技术成功制备无缺陷的Ti-6Al-4V-xNi合金；● 阐明了原位Ni合金化LAAM Ti-6Al-4V的晶粒演变机制以及α相球化机制；● 定量揭示了LAAM Ti-6Al-4V-xNi合金的强化机理。

2. 研究背景

钛合金具有低密度、高比强度和良好的抗腐蚀性等优点，被广泛应用于航空航天、汽车、医疗等领域。为了满足先进空天飞行器对轻量化和高性能的需求，基于“离散+堆积”原理开发的激光辅助增材制造（Laser Aided Additive Manufacturing, LAAM）技术逐步在钛合金结构件制造领域展现出广阔的应用前景。LAAM钛合金的典型显微组织为外延连续生长的粗大柱状晶。这种组织特征会带来<001>强织构，通常被认为是导致钛合金成形件力学性能各向异性甚至强度降低的主要原因。在本研究中，隋尚等人以Ti-6Al-4V合金为研究对象，利用LAAM过程中“成形元素可实时调控”这一优势，采用原位Ni合金化方法来细化初始显微组织，并提高合金强度。

3. 研究结果概述

1. Ni含量对LAAM Ti-6Al-4V合金的显微组织具有以下四个方面的影响：

a) 随着Ni含量的增加，LAAM Ti-6Al-4V-xNi合金的初始β晶粒形貌逐渐由柱状变为等轴状，尺寸则呈现先减小后增加的趋势，如图2和图3所示；

b) 随着Ni含量的增加，LAAM Ti-6Al-4V-xNi合金中会有更多的球状α相生成，且α相尺寸逐渐减小，如图4所示；

c) Ni添加会诱发Ti2Ni纳米颗粒析出，如图5所示；

d) 由于Ni是β稳定元素，因而Ni的引入提高了β相的含量，降低了α相的含量。

图2 LAAM Ti-6Al-4V-xNi合金初始β晶粒形貌以及定量统计结果：(a) Ti-6Al-4V; (b) Ti-6Al-4V-1.1Ni; (c) Ti-6Al-4V-1.7Ni; (d) Ti-6Al-4V-2.5Ni.

图3 LAAM Ti-6Al-4V-3.6Ni (a-b)和Ti-6Al-4V-5.6Ni (c-d)合金中的初始β晶粒形貌及定量统计结果.

图4 LAAM Ti-6Al-4V-xNi合金初始α相形貌以及定量统计结果：(a) Ti-6Al-4V; (b) Ti-6Al-4V-1.1Ni; (c) Ti-6Al-4V-1.7Ni; (d) Ti-6Al-4V-2.5Ni.

图5 LAAM Ti-6Al-4V-1.1Ni和Ti-6Al-4V-2.5Ni合金中的Ti2Ni纳米颗粒。

2. LAAM Ti-6Al-4V-xNi合金的屈服强度和抗拉强度随着Ni含量的增加而线性提高，但其塑性却呈现线性降低的趋势，如图6所示。

图6 LAAM Ti-6Al-4V-xNi (x=0, 1.1, 1.7, 2.5 wt. %) 合金的室温拉伸性能。

4. 分析与讨论

1. 原位Ni合金化对β晶粒的细化机制

Ni的添加会增大Ti-6Al-4V合金的凝固区间，扩大其成分过冷区域。在固液界面前沿，更多的晶核可以稳定长大并变成新的晶粒，从而阻碍了初始晶粒的外延生长。因此，就整个成形试样来说，晶粒得以细化，并且形貌由柱状向等轴状转变。随着Ni含量的提高，Ti-6Al-4V-xNi合金的成分过冷区域逐渐变大，因而晶粒细化效果和CET转变会更加显著，如图7所示。然而，当Ni含量增加到一定程度时，形核速率和生长速率反而会减小，此时晶粒形貌虽然变成了等轴状，但是尺寸会增大。

图7 Ni添加的晶粒细化作用示意图：(a) 低Ni含量；(b) 高Ni含量。

2. 原位Ni合金化诱发球状α相形成

末端物质迁移理论指出，α相和β相之间的元素扩散是促使α相发生球化的主要驱动力。如图8所示，LAAM过程的往复热循环特征使得钛合金成形件中α相和β相之间发生化学元素的再分配，具体表现为顶部区域和中部区域内α相和β相的化学元素浓度存在差异。其中，Ni含量的差异最为明显，顶部区域中α相与β相中Ni含量比值为1.0/1.7，而底部区域中则变为1.0/7.4。这说明Ni的添加增强了α相和β相之间的元素扩散，从而促进球状α相的形成。

图8 LAAM Ti-6Al-4V-2.5Ni合金中顶部(a)和中部(b)区域内α相和β相的化学成分。

3. 强化机理分析

修正已有的强化模型，定量揭示了LAAM Ti-6Al-4V-xNi合金的强化机理。如图9a所示，α板条和固溶原子的强化作用占主导地位，纳米Ti2Ni颗粒的强化作用很小。随着Ni含量的增加，细化α板条的强化作用的比重在逐渐升高，而固溶强化所占比重在逐渐下降（图9b）。因而LAAM Ti-6Al-4V-xNi合金屈服强度的提升可由α板条宽度的变化直接反映（图9c）。

图9 LAAM Ti-6Al-4V-xNi钛合金强化机理的定量分析：(a) 屈服强度计算结果与实验结果的对比；(b) 各种强化效应所占比重随Ni含量的变化；(c) 屈服强度与α板条宽度之间的关系。

4. Ni添加对塑性的影响机制

Ni是β相稳定元素，会在β相中富集。随着Ni含量的增加，β相中位错移动的阻力就会越来越大，即表现为β相引起的固溶强化效果越来越强，但是α相引起的固溶强化效果却基本不发生变化，如图10所示。这说明Ni的添加会使得β相的塑性变形能力变差，从而影响到整体的塑性变形能力。

图10 LAAM Ti-6Al-4V-xNi钛合金中由α相和β相引起的固溶强化效果随Ni含量的变化。

5. 结论

本文针对原位Ni合金化LAAM Ti-6Al-4V钛合金的显微组织和室温拉伸性能进行了系统的研究。研究结果表明，Ni添加会对显微组织带来多尺度的影响，包括初始β晶粒细化以及等轴化（微米级）、促使球状α相形成（亚微米级）以及诱发Ti2Ni颗粒析出（纳米级）。进一步地，基于对显微组织的定量表征，结合修正的强化模型，揭示了LAAM Ti-6Al-4V-xNi钛合金的强化机理，发现α板条和固溶原子的强化效果起主导作用。然而，Ni添加会劣化β相的变形能力，从而导致塑性降低。研究成果将为发展增材制造专用钛合金奠定重要的材料科学基础。