雷射天地導讀：鈦合金是一種戰略金屬，在航空航天、化工醫療等領域具有非常重要的應用。其中Ti6Al4V合金（Ti64）是鈦合金中應用範圍最為廣泛的鈦合金。 採用LPBF技術對鈦合金進行增材製造具有傳統方法所不可比擬的優勢。從而使得SLM技術在航空航天、醫療等領域得到密切的關注和青睞。但SLM製造的鈦合金同變形鈦合金相比，往往強度高而韌性不足。經常會採用熱處理來改善其組織和性能，以使得強度和韌性取得平衡。 SLM-Ti64具有獨特的α′馬氏體顯微組織 (圖1)。 學術界普遍認為SLM-Ti64塑性差與α′相的脆性有關。然而，熱處理導致是如何影響其機型性能的，目前學界對其對材料變形機制的理解仍然非常有限。 來自上海佳通大學輕合金研究所王樂耘特別研究員與曾小勤教授團隊利用美國阿貢國家實驗室的APS光源的同步輻射衍射線站對由LPBF設備成型的SLM-Ti64樣品進行了原位拉伸實驗。通過分析樣品中不同衍射峰在材料屈服點附近的晶格應變，結合彈塑性自洽模型，測得α′相各滑移系的臨界剪切應力(CRSS)。
這一結果一題目「Effect of heat treatment on the tensile behavior of selective laser melted Ti-6Al-4V by in situ X-ray characterization」發表在近期發表的材料學頂刊《Acta materialia》上。如下為論文首頁的截圖。
論文首頁截圖
SLM製造的Ti6AlV合金（簡稱為Ti64）在730℃（簡寫為HT-730）和900℃（簡寫為HT-900）條件下熱處理2h後，其屈服強度會下降、工作硬化效應得到增強、韌性也得到增加。為了了解其機械性能變化的機理，採用原位高能X射線衍射儀進行了相組成、載荷分區滑移系的運動和位錯密度的變化進行了研究。SLM沉積態鈦合金主要由馬氏體α′所組成。熱處理之後，α′部分或完全分解成α+β相，從而降低了其屈服強度。在HT-730時，β析出相呈現出較高的晶格應變，比變形過程中α′/α基體還要大。在HT-900的條件下，晶格的應變差異幾乎完全消失。這是HT-900熱處理條件下韌性得到增強的原因。從晶格應變各向異性的發展來看，基體的滑移是α′/α系統中最易滑動的滑移系。採用彈性-塑性自適應模型（EPSC）進行檢驗，其剪切應力的臨界點在稜滑移和基面滑移之間，大約為1.31（SLM沉積態）和1.16（HT-900熱處理條件下）。HT-900條件下的α相可以激活多個滑移系，並且在塑性變形過程中造成更多的位錯塞積。這正好可以解釋為什麼HT-900時具有更好的韌性和較高的工作硬化。
論文Graph Abstratct
圖1 原位高能X射線衍射裝置
然而，最近的研究表明，傳統的觀點認為α′相是對韌性有害的。通過調整工藝參數，可以獲得全馬氏體α′組織。此時材料的韌性可以達到15%，這一結果甚至比另一SLM製造的Ti64合金製造出的全傘狀α+β相的韌性（12%）還要高。研究者認為在沉積態時，顯微組織主要由α′馬氏體所組成，仍然存在非常少量的β相。此時隔離的α′/β相界面應變是不匹配的，從而導致裂紋萌生，甚至發生斷裂。減少或消除這些獨立的β相傘狀相形成完全馬氏體α′,SLM 製造的Ti64合金的屈服強度會得到顯著提升。這一假說並沒有得到證實。電子束增材製造Ti64合金並在920℃時進行熱處理，隨後水淬，可以獲得50%的α′+50%的α組織。此時材料的拉伸延伸率可以達到20%。隨後的納米壓痕和DIC試驗檢測表明α′相是馬氏體中的軟相和塑性變形的起源。比較有意思的是，α′會在500℃@1h熱處理條件下變硬。這歸因於細小的β相在α′附近的析出，從而造成析出硬化。無論如何，其詳細的變形機制和α′與α之間的變形行為的差異目前並不清楚。需要採用原位實驗來研究，這就是本文的研究動機。
圖2. SLM-Ti64的典型顯微組織
經過研究發現，馬氏體α′相的塑性變形更容易由單一位錯系（基面滑移）主導。由於基面滑移係數量少，且與α′相板條垂直，導致材料的塑性教差。對LPBF製造的Ti64在900 C進行熱處理後，馬氏體α′相轉化為α相，α相可以同時誘發基面滑移和稜面滑移，因此熱處理後的Ti64合金的塑性得到了明顯提升 (圖3)。對實驗結果作進一步的分析，馬氏體α′相的初始位錯密度較高，但在變形過程中，位錯濃度增長較慢，制約了材料的加工硬化能力。與之相比，熱處理後樣品中的α相的初始位錯濃度較低，但在材料變形後位錯濃度迅速上升 (圖4)。除了馬氏體α′相外，還研究了殘餘 相的應力集中對材料塑性的影響。圖5為三種不同條件下得到的TEM明場相的組織，分別為SLM沉積態、熱處理溫度分別為730℃和900℃的組織。
圖3. as-SLMed和HT-900兩個樣品在不同拉伸應變下α?/α衍射峰的演化。通過分析晶格應變，獲得每個樣品中的變形機制。
圖4. as-SLMed和HT-900兩個樣品中位錯密度 (ρ)的演化趨勢。
需要特別指出的是，該論文的第一作者是一名碩士研究生。碩士研究生張鼎昌為該論文的第一作者，王樂耘特別研究員為論文通訊作者。論文主要合作者還包括美國APS光源以及中國航空製造技術研究院的研究人員。該工作得到了上海交通大學輕合金精密成型國家工程研究中心(NERC-LAF)以及金屬基複合材料國家重點實驗室(SKL-MMC)的支持。
圖5 三種不同狀態下的TEM明廠圖：沉積態、HT-730和HT-900
雷射天地轉載自：上海交通大學材料與科學網站
論文來源：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.03.003,Effect of heat treatment on the tensile behavior of selective laser melted Ti-6Al-4V by in situ X-ray characterization,Acta Materialia
Volume 189, 1 May 2020, Pages 93-104，部分參考自上海交通大學材料與科學學院網站