东南亚的服饰
增材制造高温钛合金通常存在塑性差、易开裂的问题。本研究采用高熔点低扩散性的钨(W)作为微结构改性剂东南亚的服饰，对Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si合金进行激光粉末床熔融后处理。介观尺度上，合金的柱状原始β晶粒转变为细小的等轴-拉长形貌并形成双态组织；微观表征显示α'相得到细化，脆性α'/β界面被更具韧性的界面取代。改性合金获得了1717.6 MPa的超高抗拉强度和4.4%的延伸率提升，这归因于晶粒结构与界面优化的协同效应。该研究为通过难熔元素调控高温钛合金微观组织和力学性能提供了新思路。
采用低能球磨法在氩气保护下(250r/min，5h)混合气体雾化Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si粉末(15-53μm)与钨粉(0.5-2μm)。使用BLT-S210金属3D打印机在基板预热180℃、激光功率180W、扫描速度1100mm/s、道间距90μm、层厚30μm、层间旋转角67°的参数下制备样品。未改性与添加1wt.%、2wt.%W的合金分别标记为0W、1W和2W。
微观组织分析表明：0W合金呈现沿构建方向生长的粗大柱状原始β晶粒(图1a-c)。添加1wt.%W使柱状晶细化，而2W合金形成等轴-拉长混合晶粒形态，其等轴晶比例(纵横比<2)从0W的2.9%增至33.6%，大纵横比晶粒(>5)比例从59.3%降至11.9%，显示显著柱状-等轴转变效应。2W合金呈现双态组织，含37.2%细晶(<20μm)和27.2%粗晶(>40μm)。
展开剩余77%EBSD分析显示(图1d-f)，随W含量增加，高角度晶界比例下降而低角度晶界上升。2W合金中α/α'相主要呈现细针状形态，并存在取向差<2°的α/α'簇，在IPF图中表现为以低角度晶界为主的同向域。
图2(a)(c)显示0W与2W合金沿BD方向的SEM图像，可见热影响区(HAZs)与沉积层交错分布。0W沉积层中存在长40-100μm、高纵横比的粗大α'板条(图2a1)，其边界可见β-Ti析出(图2b)，而HAZs区域α'相完全分解为α+β片层组织(图2a2)。2W合金沉积层保持全马氏体结构(图2c1)，由平行排列的细针状α'变体(300-500nm)构成，极小取向差的α'相主要形成亚晶界或低角度晶界。即便在HAZs区域也未检测到α'分解产生的β-Ti(图2c2,d)。
HRTEM分析表明(图2e)，0W中α'/β界面满足α‖β、(0001)α‖(110)β的晶体学关系，IFFT结果证实粗大α'部分分解为β-Ti(图2e1-e2)。2W合金中未发现β-Ti或α'/β界面(图2f)，主要存在α'/α'和α/α'型界面，满足α‖α取向关系，部分α'板条内部存在孪晶界。由于钨扩散系数低，抑制了β稳定元素的再分配，从而提高了α'相稳定性。
基于凝固理论和相互依存理论，图3揭示组织演变机制：0W合金中弱元素偏析导致固液界面成分过冷(ΔTCS)积累缓慢(图3a)，t1时刻实际温度(TA1)与平衡液相线温度(TE)差值不足以达到形核过冷度(ΔTn)，持续外延枝晶生长直至t3时刻ΔTCS累积至ΔTn才发生新晶粒形核，最终形成粗大柱状晶。2W合金中(图3b)，钢琴教学交流群钨的低扩散性显著提高固液界面前沿ΔTCS，未熔钨颗粒作为异质形核核心大幅降低形核所需过冷度(ΔTCS=ΔTn?min)，晶粒碰撞抑制沿温度梯度择优生长，促进柱状-等轴转变。
完成液-固转变后，后续冷却过程中发生固态相变。在先期β晶粒细化与β稳定元素的协同作用下，2W合金最终形成细化的α/α'微观组织。
多尺度微观组织调控使力学性能显著提升（表2，图4a）。1W合金在保持与0W相当屈服强度的同时，极限强度提高166MPa；2W合金更实现强塑协同提升——屈服强度与极限强度分别提高266MPa（增幅20.4%与18.3%），延伸率较0W提升三倍。图4b显示随W含量增加，合金加工硬化率与均匀延伸率同步改善。如图4c所示，该性能突破优于其他合金化方法，且避免了陶瓷增强钛基复合材料常见的塑性损失。与传统冶金认知不同，本研究表明适量W添加可实现强度与塑性的协同提升。
在介观尺度，遵循Hall-Petch关系，β晶粒细化与双态结构共同促进强塑性提升；微观尺度上，W通过细化α'相并抑制其分解，有效调控界面特性——既阻止脆性α'/β界面形成，又增强变形能力。低角度晶界比例增加表明W的低扩散性抑制了L-PBF过程中钛的动态回复，其强溶质拖曳效应导致更高加工硬化率，原子尺度机制仍需深入研究。
综上所述，在L-PBF制备的Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si合金中添加钨元素实现了多尺度微观组织优化，从而协同提升了强塑性。在介观尺度，钨提高了合金凝固过程中的形核率，获得细化的β晶粒尺寸和双态组织；基于钨的强化及β稳定化效应，α'相的尺寸与形貌均得到优化。微观尺度上，钨增强了α'相的热稳定性并抑制脆性α'/β界面形成。添加2 wt.%钨的改性合金实现了1.7 GPa强度与4.4%延伸率的结合，克服了材料固有的脆性倾向。该研究为增材制造高性能钛合金设计提供了新策略，凸显了难熔元素的调控潜力。
科学技术的发展离不开科研仪器的进步。凯视迈（KathMatic）自2014年创建以来东南亚的服饰，一直“致力于高精尖光学测量技术”，已成为集“研发、制造、销售”为一体的国产高端光学精密测量仪器新力量。推出了KC系列多功能精密测量显微镜、KS系列超景深3D数码显微镜以及KV系列激光多普勒测振系统，取得了良好的市场成绩。详情欢迎留言咨询!
发布于：江苏省