頂刊：微量B4C添加對增材制造鈦合金組織及熱處理行為的影響！

來源：材料科學(xué)與工程

激光粉床熔化（L-PBF）技術(shù)是一種典型的金屬增材制造方法，具有成型致密度高、力學(xué)性能優(yōu)異、可制備復(fù)雜零件和節(jié)省材料等諸多傳統(tǒng)加工方式無法媲美的優(yōu)勢。Ti-6Al-4V合金由于具有優(yōu)異的比強(qiáng)度、耐腐蝕性高、生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于增材制造領(lǐng)域。為了進(jìn)一步提高該合金的力學(xué)性能，通過引入微量增強(qiáng)相以及結(jié)合適當(dāng)?shù)臒崽幚韥韺�Ti-6Al-4V合金進(jìn)行改性是一種有效手段。

近日，來自加拿大McMasterUniversity的Fereiduni等人的最新研究表明，添加微量B4C作為增強(qiáng)相和適當(dāng)?shù)臒崽幚砜梢杂行д{(diào)控增材制造Ti-6Al-4V合金的微觀組織并顯著提升合金的力學(xué)性能，相關(guān)機(jī)理在文中進(jìn)行了詳細(xì)分析。相關(guān)論文以題為“Unique opportunities for microstructure engineering via trace B4C addition to Ti-6Al-4V through laser powder bed fusion process: As-built and heat-treated scenarios”發(fā)表于Additive Manufacturing。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... 21007041?via%3Dihub

在該項(xiàng)研究中，作者通過優(yōu)化的L-PBF工藝制備了致密的Ti-6Al-4V合金和Ti-6Al-4V/0.2wt% B4C復(fù)合材料，并通過DSC對兩種材料的β相變點(diǎn)進(jìn)行了測試。DSC結(jié)果表明微量B4C的引入顯著推遲了升溫過程中放熱峰的到來以及冷卻過程中放熱峰的寬化，說明Ti-6Al-4V/0.2wt% B4C復(fù)合材料的β相變點(diǎn)（1040℃）明顯高于Ti-6Al-4V合金（960℃）。

圖1Ti-6Al-4V合金和Ti-6Al-4V/0.2 wt% B4C復(fù)合材料的DSC測試結(jié)果

在測得兩種材料的β相變點(diǎn)之后，對兩種材料在亞臨界區(qū)及β單相區(qū)分別進(jìn)行了退火，以探明B4C在熱處理過程中對Ti-6Al-4V合金組織演變的作用機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)的Ti-6Al-4V合金截然不同的是，在β單相區(qū)進(jìn)行退火后，Ti-6Al-4V/B4C復(fù)合材料內(nèi)部出現(xiàn)了完全等軸的α晶粒，如圖2所示。此外，該類等軸組織的Ti-6Al-4V/B4C具有極佳的綜合力學(xué)性能，獲得了良好的強(qiáng)度和塑性的結(jié)合。該現(xiàn)象被歸因于Ti-6Al-4V/B4C復(fù)合材料中的針狀TiB相有效限制了α相的生長。此外，針狀TiB相也避免了冷卻過程中有害的晶界α相網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成。

圖2Ti-6Al-4V/0.2 wt% B4C復(fù)合材料β固溶處理后的等軸α晶粒

最后，文中對Ti-6Al-4V合金和Ti-6Al-4V/0.2wt% B4C復(fù)合材料的各種強(qiáng)化機(jī)制進(jìn)行了定量統(tǒng)計(jì)，并與實(shí)測值進(jìn)行了比較。證明了B4C的加入對Ti-6Al-4V合金的強(qiáng)度貢獻(xiàn)主要來源于Hall-Petch細(xì)晶強(qiáng)化效應(yīng)以及C原子的固溶強(qiáng)化效應(yīng)。此外，TiB相帶來的載荷傳遞作用以及位錯(cuò)強(qiáng)化也對Ti-6Al-4V/B4C復(fù)合材料的強(qiáng)度具有一定增強(qiáng)作用，如圖3所示。

圖3 Ti-6Al-4V合金和Ti-6Al-4V/0.2wt% B4C復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)制統(tǒng)計(jì)

總的來說，本文研究表明，通過引入適量增強(qiáng)相并結(jié)合適當(dāng)?shù)臒崽幚砜梢杂行�提高Ti-6Al-4V合金的綜合性能。此外，此項(xiàng)工作說明針對Ti-6Al-4V合金的熱處理工藝并不適用于鈦基復(fù)合材料。即β熱處理是提高Ti-6Al-4V/B4C復(fù)合材料綜合力學(xué)性能的有效手段。研究結(jié)果對拓寬鈦合金及鈦基復(fù)合材料在增材制造領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要價(jià)值。