《Science》: 采用增材制造的浓度调制先进钛合金的现场设计 _机械

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江苏激光联盟导读：

研究人员通过实验研究，通过调制不同浓度激光粉末，得出了不同增材制造浓度下的不同结果，为航空航天、汽车、化工和医疗行业中的先进应用做出了贡献。
前言：
增材制造是一项革命性的技术，为材料加工和设计提供了不同的途径。然而，如果没有协同组合，新材料或新加工技术的创新很少能成功。本研究展示了一种原位设计方法，通过激光粉末床熔合来制备空间调制浓度的合金。
研究人员发现，两种不同合金熔体——Ti-6Al-4V和少量316L不锈钢的部分均匀化，能够对Ti-6Al-4V基体中316L中所含的元素进行微米级浓度调节。相应的相位稳定性调制产生了细尺度调制的b+a′双相微观结构显示出渐进相变诱导的塑性效应从而产生约1.3千兆帕斯卡的高抗拉强度、约9%的均匀伸长率和>300兆帕斯卡的优异加工硬化能力。这种方法为结构和功能应用的浓度调制异质合金设计开辟了一条途径。
3D打印Inconel 625晶粒结构可视化通过打印过程中打开和关闭超声波实现。来源：RMIT大学
增材制造(AM) ，也被称为三维(3D)打印，将多个冶金过程整合为一个过程，其中合金的制造、成型和处理在一个过程中同时进行。然而， AM在很大程度上被视为一种能够生产接近净形状的材料成分的成形技术，而没有充分利用AM提供的同时和协同推进合金和工艺的能力。通过逐点逐层灵活构建组件， AM提供了创建具有特定位置成分和微观结构的异质合金的机会。
在激光粉末床聚变（L-PBF）过程中，由于熔池寿命短且冷却速度快，因此通过使用不同合金或元素粉末的预混合混合物在每个熔池内进行部分均匀化，可以实现更细的尺度（如微米尺度）浓度调制（下文中为微米尺度）。这种微结构已经被证明具有提供各种合金特有优点的潜力，例如b-Ti中的梯度预铁酸盐微观结构；钢中的马氏体-奥氏体异质结构；以及铁弹性材料中的受控应变释放、线超弹性和超低弹性模量。
研究人员演示了如何使用两种商业合金粉末:Ti- 6al - 4v (Ti64)和316L(67.5Fe-18Cr-12Ni-2.5Mo wt %)的混合物，通过L-PBF设计这样的microCM钛合金。这两种合金的选择是基于以下考虑。采用AM方法制备的Ti64长期以来都存在有害柱状晶粒大和加工硬化能力差的问题。 316L中的元素(Fe、Cr、Ni和Mo;我们称之为316L元素)是钛合金中有效的晶粒细化剂，也是钛合金中有效的稳定剂。
此外， L-PBF中也有两种合金的高质量粉末。通过适当选择316L的添加量和L-PBF工艺参数，这些元素在Ti64基体中形成了microCMs ，而与浓度调制相对应的相稳定性调制则在印刷合金中形成了精细尺度调制的b+ a '双相组织。这种类型的microCM钛合金在变形过程中表现出高的屈服强度和渐进变形诱导塑性(TRIP)效应，这导致了延长的均匀延伸和增强的加工硬化效应。
图1微米级浓度调制和印刷态Ti64-（4.5%）316L合金的微观结构。（A） SEM-EDS图显示了微米级Ti、Al和V的贫化以及熔融池漩涡中Fe、Cr和Ni元素的富集。（B） B-a′相间区的扫描电镜图像。黄色箭头表示（C）中的EDS线扫描方向。（C）（b）中穿过b-a′界面的成分剖面显示316L元素（Fe、Cr、Ni和Mo）在b相中富集， 316L元素在a′相中耗尽。（D）侧视图横截面BSE图像显示了熔岩状微观结构，在熔融池中机械混合期间， Marangoni对流形成清晰的漩涡图案。较亮区域富含重元素（316L中的Fe、Cr、Ni和Mo ，蓝色箭头），较暗区域富含轻元素（Ti64中的Ti、Al和V ，黄色箭头）。插图显示了印刷态Ti64-（4.5%）316L拉伸试样和杆的照片。（E）放大的BSE图像显示了熔岩状非均匀微观结构，其中针状a′马氏体（黄色箭头）和具有凝固胞状结构的超细b晶粒（蓝色箭头）共存。（F） TEM亮场图像观察到细小针状a′马氏体。（G） TEM亮场图像观察到的超细孪晶结构。（H和I）印刷态Ti64（4.5%）316L的EBSD图像。（H）侧视图横截面的带对比度图像，显示无柱状晶粒的超细晶粒结构。亮区（蓝色箭头）由大块b晶粒组成，暗区（黄色箭头）由细针状a′马氏体组成。（I）顶视图横截面的反极图（IPF）图，显示b和a′相的晶粒取向。

《Science》: 采用增材制造的浓度调制先进钛合金的现场设计

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