Nature Communications:用于3D打印的包晶钛合金
时间:2025-07-05 09:13 来源:金属增材制造 作者:admin 点击:次
金属基增材制造(AM)允许逐层制造近净形金属组件,其几何复杂度远超传统制造。通过AM生产钛基组件的成本节省估计高达50%,归因于机加工中材料的严重损失。目前,用于AM的钛合金大多基于传统成分,这些成分未考虑AM过程中定向热梯度引起的外延生长,导致严重织构化和各向异性结构性能。本研究揭示了包晶和包析反应附近亚稳态的新凝固与冷却路径:α相未继承母β相的常见晶体学取向关系。伴随各向异性降低和等轴显微结构的形成,这代表了面向下一代AM钛合金的进展。 ![]()
本文的创新方法及解决的科学问题 ![]()
图1:Ti-La体系的增材制造。选择Ti-2wt.% La成分的方法通过改变常规β→α相变路径,探索钛合金中α相形成的非典型路径。a:Ti-La相图的局部(基于29,50改编),指示用于选择性激光熔化的成分。b, c:分别为参考材料商业纯钛(CP Ti)和Ti-2wt.% La合金(Ti-2La)的制造态显微结构概览(比例尺:100 μm)。
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图2:Ti-2wt.% La(Ti-2La)合金在选择性激光熔化(SLM)过程中的织构调控。向商业纯钛(CP Ti)中添加2wt.% La导致α相沿构建方向的优先取向减弱,如a,b所示:分别基于1x1x5 mm³测量体积重建的{002}α归一化极图。c:CP Ti的马氏体显微结构由α'板组成,根据Burgers取向关系(OR)在母β晶粒内延伸。d,e:Ti-2La中形成的具有多取向的小等轴α晶粒排列导致织构减弱(如圈出晶粒所示)。f:通过缓慢冷却(20°C min⁻¹从950°C经包晶线降至室温)对SLM制造态进行后热处理,促使新α晶粒形成和广泛球化,获得类再结晶显微结构。e,f中的黑线表示高角度晶界(取向差>10°)。c,d及其放大区域(底部)比例尺分别为100 μm和50 μm;e和f中为50 μm。
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图3:Ti-2wt.% La(Ti-2La)合金在选择性激光熔化(SLM)后的晶粒细化。a,b:通过分别以5°C min⁻¹和100°C min⁻¹速率从950°C(L₁ + β场)冷却至室温对SLM制造态进行后热处理,随冷却速率增加形成更细小的新α晶粒和广泛球化。比例尺:50 μm。c,d:分别对应a,b显微结构的1x1x5 mm³测量体积的德拜-谢乐环代表性四分之一。c中斑点环与d中连续{hkl}环对比,反映后者合金块体中显著更小的晶粒尺寸。a,b中黑线表示高角度晶界(取向差>10°)。
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图4:Ti-2wt.% La合金的相变动力学。α相形成始于L₁ + β场,随后在冷却过程中从β相转变。a:彩色编码2D图,显示2.25-4.55° 2θ范围内β、α、La-bcc和La-fcc的{hkl}反射演变,右侧图表为Rietveld分析得到的晶相体积分数随连续冷却(950°C至400°C,20°C min⁻¹)的变化。温度<400°C时无变化。b:彩色编码2D图,显示950-850°C连续冷却期间{002}α布拉格反射在方位角(ψ)0-180°范围内的演变。c:原始衍射图像揭示在905°C和875°C,α相与β和L₁相共存。d:从950°C淬火至室温的显微结构中,箭头所指α颗粒在β/L₁界面形核(右侧比例尺5 μm;左侧放大图2 μm)。e:在850°Cβ→α相变结束时,基于1x1x5 mm³测量体积重建的{110}β和{002}α归一化极图,表明α相未继承母β相织构。
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图5:降低钛合金增材制造中的凝固织构。通过添加包晶形成溶质La,形成具有多取向的细α颗粒。a,b:分别为Ti-3wt.% Fe(Ti-3Fe)和Ti-1.4Fe-1La(wt.%)的选择性激光熔化(SLM)过程中α相变(比例尺:10 μm)。前者α相直接从母β晶粒形成:典型β→α相变路径导致层状α+β显微结构。后者存在额外α形成路径,与母β相取向关系无关。c,d:分别反映Ti-3Fe和Ti-1.4Fe-1La的{002}α重建极图。e:SLM Ti-1.4Fe-1La中,直径<1 μm的多取向α颗粒在α层板边界形成(黑线表示高角度晶界,取向差>10°;比例尺:5 μm)。f,g:分别通过20°C min⁻¹缓慢冷却Ti-3Fe和Ti-1.4Fe-1La从950°C至室温的后热处理,获得典型层状α+β显微结构和广泛α球化。f,g比例尺为250 μm;g插图为30 μm。h:热处理后Ti-1.4Fe-1La合金中α与β相晶格相关边界的双峰分布,反映两种α形成路径。
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表1:Ti-2wt.% La合金(Ti-2La)平衡相图的平衡不变反应(基于29,50)与通过原位高能同步辐射X射线衍射(HEXRD)在20°C min⁻¹冷却(从950°C L₁ + β场)识别的转变对比。
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