增材顶刊《AM》：增材制造无偏析缺陷高强度β-钛合金！

2021-01-26 10:34:29 作者：本网整理来源：材料学网分享至：

导读：偏析缺陷，称为β-斑点，长期以来一直影响亚稳态β-钛合金的广泛应用。这些缺陷是在铬等β-稳定溶质偏析产生局部相不稳定性时形成的，这对合金的时效响应和力学性能是有害的。本文探讨了增材制造是否是防止在Beta-C合金（Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr）中形成这些缺陷的可行方法。尽管观察到在沉积表层时最初会形成β斑点，但随后的每个新层和热循环都会促进合金元素的固态扩散，从而有效地修复偏析缺陷。因此，增材制造是生产无此缺陷的高质量亚稳态β-钛合金的有希望途径。

长期以来，亚稳态β-钛合金已用于航空航天和医疗应用，与α+β合金相比，它们需要更高的机械性能。Ti-13V-11C-3Mo（也称为B120VCA），Ti-10V-2Fe-3Al，β-21S（Ti-15Mo-3Al-3Nb-0.2Si）和Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr（ Beta-C）因其高的比强度或有利的热性能而在航空器的各种应用中都是可时效的亚稳态β合金。当从高于β-转变温度的温度快速冷却时，亚稳态β-Ti合金会保留主要为β体心的立方（bcc）晶相，通常不会形成α‘马氏体。在低于β-转变的时效过程中，α-六角形密堆积（hcp）相或中间亚稳相ω或β’沉淀并促进进一步硬化。虽然亚稳态β合金通常比α+β合金贵，但如果实现了性能提升，它们可能是增材制造的有吸引力的候选者，因为与传统的锻造+相比，较低的采购与销售比率将抵消部分较高的材料成本。

亚稳态β-Ti合金包含β稳定合金元素，例如Cr，Fe，V，Mo，Nb 。如果这些β稳定溶质的分配系数小于或大于1，则它们在凝固过程中会偏析。溶质偏析可以产生过冷，从而细化晶粒尺寸并促进等轴晶粒的形成，有利于晶粒尺寸和织构的控制。但是，凝固后，偏析的β稳定溶质会在整个微结构中产生化学不均匀性，从而导致相稳定性的局部变化，如果对合金进行热处理，则会导致时效响应发生变化。这种偏析缺陷被称为β-斑点（或雀斑），并且不利于Ti合金的机械性能。

增材制造（AM）有两个固有的优势，可以在生产亚稳态β-Ti合金时限制β斑点形成。首先，快速凝固速度将限制溶质偏析的规模，因为快冷会产生小的二次枝晶臂间距。其次，增材制造的独特高温热循环特性可以促进任何形式的细分散溶质团簇（β斑点）的原位化学成分均质化。

基于此，澳大利亚昆士兰大学M.J.Bermingham教授团队研究了增材制造过程中亚稳态β-Ti合金Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr（Beta-C）中的β斑点的形成，并确定沉积新层时的重复热扰动是否有助于消除这种缺陷。选择Beta-C是因为其钼当量约为16，同时还包含6 wt％的Cr，这是一种已知的形成β斑点的溶质。研究发现电弧增材制造（WAAM）期间的热循环并未完全使合金均匀化，并且残留了一些偏析，但是经过7个热循环后，溶质变化减少了60-75％，这足以治愈β斑点，并且不会导致合金的时效响应发生实质性变化。研究成果以题“Eliminating segregation defects during additive manufacturing of high strength β-titanium alloys”发表在增材制造顶刊Additive Manufacturing上。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.101855