鈦銅合金增材制造的微觀奧秘：共析體形態(tài)調(diào)控助力強(qiáng)韌性能提升

來源：特種鑄造

在鈦合金中添加銅（Cu）可以增強(qiáng)鈦基體的強(qiáng)度并消除激光粉末床熔融（LPBF）過程中的柱狀晶粒，但會形成脆性的共析體Ti₂Cu片層，嚴(yán)重降低延展性。文中揭示了共析體形態(tài)對銅含量和LPBF參數(shù)的依賴性，并闡明變形行為與共析體形態(tài)之間的關(guān)系。在優(yōu)化的激光能量密度下，制備出了具有優(yōu)異力學(xué)性能的Ti-5.0Cu合金。

將銅（Cu）引入增材制造的鈦（Ti）合金中，不僅可以增強(qiáng)鈦基體的強(qiáng)度，還可以細(xì)化粗大的柱狀晶粒，從而降低力學(xué)性能的各向異性。因此，Ti-Cu合金在過去幾年中成為最受歡迎的可打印鈦合金體系之一。然而，添加銅會不可避免地誘導(dǎo)脆性共析體Ti₂Cu片層的形成，導(dǎo)致延展性顯著下降。因此，最小化共析體對延展性的不利影響已成為確保Ti-Cu合金實際應(yīng)用的關(guān)鍵問題。

針對共析體形態(tài)從片層狀向顆粒狀轉(zhuǎn)變的后熱處理已被證明是減輕其不利影響的有效策略。基于此，中科院的研究團(tuán)隊聯(lián)合美國德克薩斯大學(xué)、大阪大學(xué)開發(fā)了一種具有高成分精度和均勻性的銅包覆鈦粉末，以探索LPBF Ti-Cu合金在非平衡凝固條件下的特定共析體轉(zhuǎn)變行為，成功實現(xiàn)了強(qiáng)韌兼顧的Ti-Cu合金增材制造。相關(guān)工作以題為“Achieving strong and ductile as-printed Ti-Cu alloys via tailoring eutectoid morphology”發(fā)表于期刊《Materials Research Letters》。

研究表明，銅含量的增加促進(jìn)了柱狀晶向等軸晶的轉(zhuǎn)變，但也使共析體形態(tài)從顆粒狀變?yōu)槠瑢訝�。共析體片層嚴(yán)重阻礙了α-Ti中位錯的滑移，導(dǎo)致從韌性到脆性的轉(zhuǎn)變。此外，通過降低激光能量密度，可以將高銅含量Ti合金的共析體從珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w。在較優(yōu)激光能量密度（88.9 J/mm³）下制備的Ti-5.0Cu具有優(yōu)選的等軸原始β晶粒和不連續(xù)的共析體Ti₂Cu顆粒，表現(xiàn)出優(yōu)于已報道打印態(tài)Ti-Cu合金的力學(xué)性能，其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長率分別為1 051 MPa 、1 198 MPa和 6.5%。