導讀：亞穩β-鈦合金在經過沉澱硬化後，是強度最高的鈦合金。本文採用電弧增材工藝製備Ti–3Al–8V–6Cr–4Mo–4Zr合金，並對其力學性能和熱處理後的顯微組織進行研究。固溶處理後合金主要由體心立方β相組成，具有很高的塑性，但是強度一般，其中屈服強度僅為860MPa。但是通過後期時效處理後，可實現極高的強度，其屈服強度（＞1600MPa）幾乎增加一倍。
鈦合金是增材製造（AM）的強有力候選材料，以往的絕大多數研究集中於最常用的結構鈦合金Ti–6Al–4V對AM的反應，包括了解其晶相、微觀結構和機械性能。但是從冶金角度來看，Ti–6Al–4V合金冷卻時不可避免地會形成針狀α′馬氏體，相比之下，亞穩態β鈦合金在快速冷卻過程中通常不會形成α′馬氏體，因此亞穩態β合金為熱處理提供了更大的選擇空間，在AM製造的中也會具有更為廣闊的應用前景。亞穩β合金容易進行時效硬化，以控制α相的體積分數和形貌特徵，這樣不僅可以實現更高的強度，而且可有效地控制機械性能。儘管價格昂貴，但亞穩β合金仍為最理想候選材料。
M.J. Bermingham等針對Ti–3Al–8V–6Cr–4Mo–4Zr合金，首先採用電弧增材製造，然後進行熱處理和力學性能表徵。固溶處理在加工後進行，可消除在增材製造期間可能形成的任何不良亞穩相。相關論文相關論文以題為「High strength heat-treatable β-titanium alloy foradditive manufacturing」發表在Materials Science & Engineering A上。
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https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.139646
圖1所示為每種熱處理條件下AM Ti–3Al–8V–6Cr–4Mo–4Zr的XRD光譜。低溫預時效對隨後在雙重時效處理過程中形成晶內強化相α相具有重要意義。β相內的溶質原子配與通過單步時效處理獲得形成更精細的強化α沉澱相有關。在雙重時效處理之後，圖1（C）–（F），由於強化的晶內α沉澱的形成以及現有原生α的生長，檢測到的α相峰的強度顯著增加。在時效過程中形成的α和α兩種不同的參數，在時效過程中形成了不同的α相布拉格衍射峰發生實質性位移，因此在XRD光譜中出現兩組峰。但強度隨時效溫度的升高而增加，表明由於在較高溫度下初生α相的體積分數增加。在時效過程中觀察到的α的較高的2θ峰角，表明晶格尺寸較小。
此外，在500℃到550℃溫度下的雙重時效處理，在XRD光譜中還存在一些其他的小峰，這些峰值出現的溫度範圍與先前觀察到的Ti–3Al–8V–6Cr–4Mo–4Zr合金時效過程中在β晶界上形成的金屬間相一致，可認為是TiCr2相或Tix-Zrx金屬間化合物。不同形式α的晶格參數的差異可歸因於在較高溫度下形成的初生α相，由此增強擴散可形成更接近平衡的成分。同時，低溫時效過程中形成的α相的成分受到較低擴散速率的限制，會進一步偏離平衡。
圖1 XRD圖譜。
圖2顯示了各種雙重時效溫度下α沉澱相的SEM顯微照片。亞穩態β鈦合金的時效硬化是通過α相的析出而發生的，而α相的析出可以通過適當設計的熱處理制度來控制。
圖2 Ti–3Al–8V–6Cr–4Mo–4Zr分別經過 450℃（A）、500℃（B）、525℃（C）和550℃（D）下時效24 h的 SEM圖像。（E）和（F）分別顯示了450℃和550℃雙重時效後合金的TEM圖像
Ti–3Al–8V–6Cr–4Mo–4Zr作為一種商業合金，在固溶處理條件下，產生主要的β相微觀結構，另外製造的Ti–3Al–8V–6Cr–4Mo–4Zr具有861MPa的屈服強度，並且具有極強的韌性。在300℃/24小時的初始時效條件下，屈服強度略有提高，達到910MPa，塑性降低到約45%。隨著在高溫下的持續時效，即雙相時效，α相顯著析出，這對合金性能有重要影響。在450℃/24小時的最終時效後，屈服強度顯著提高至1622MPa。這幾乎是β-退火條件下合金屈服強度的兩倍，大大高於通過金屬絲弧添加劑製造的Ti–6Al–4V（對比見圖3）。在500℃、525℃或550℃下時效24小時，強度在1385-1210MPa，而延展性則在21-27%之間進一步平衡。時效Ti–3Al–8V–6Cr–4Mo–4Zr中α-沉澱物的強化與它們的分散性和尺寸密切相關，析出相作為位錯運動的強大阻礙，通過阻礙位錯在晶格中的運動來進行強化。較小的析出間隔降低了位錯的平均自由程，增加了應變硬化，但也導致延展性降低。故為了保持足夠的延展性， 500℃-550℃可能會為合金提供更合適的機械性能平衡。
圖3。A）雙重時效對增材製造的Ti–3Al–8V–6Cr–4Mo–4Zr合金硬度的影響；B）與WAAM生產的Ti–6Al–4V相比，每個測試條件下的合金屈服強度和破壞應變
圖4顯示了雙重時效條件下合金韌性最低和韌性最好的典型斷裂面示例。兩種情況下觀察到的特徵相似，說明固溶處理後的Ti–3Al–8V–6Cr–4Mo–4Zr不是通過剪切和破裂而失效的。Ti–3Al–8V–6Cr–4Mo–4Zr等亞穩β合金被認為是真正的淬透性，並且α析出物的尺寸和分數可以通過固溶和時效熱處理進行精確控制，為後面的熱處理優化性能提供了更廣闊的選擇空間。在AM零件的製造過程中，精確控制析出相的尺寸和分布的能力也是有利的。
圖4 Ti–3Al–8V–6Cr–4Mo–4Zr雙相合金在300℃/24h，450℃/24h（A，B）和300℃/24h，550℃/24hrs（C，D）下的斷口形貌
圖5顯示了AM製造的各種亞穩β-Ti合金的強度圖，現有的大部分研究中合金強度水平在600-900MPa之間，與固溶處理後的Ti–3Al–8V–6Cr–4Mo–4Zr相當。然而，Ti–3Al–8V–6Cr–4Mo–4Zr能夠通過α-沉澱顯著提高強度，因此通過沉澱硬化優化亞穩β-Ti合金性能的相關研究極具潛力。
圖5 增材製造的各種亞穩β-Ti合金的屈服強度
本文Ti–3Al–8V–6Cr–4Mo–4Zr合金由電弧增材製造工藝生產，並經過相關熱處理。結果表明亞穩態β-Ti合金是一種很有前途的增材製造材料，固溶處理的Ti–3Al–8V–6Cr–4Mo–4Zr合金中的β相強度一般，但塑性較高，雙相時效可促進α析出相形成，α析出相的硬度和強度範圍很大，取決於時效溫度和時間。（文：衣兮）
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