发布时间：2020-04-14 21:25:23 | 人气：692
激光天地导读：
目前在研究领域和工程应用市场上，正如火如荼的发展的增材制造技术，是一种可以制造出性能可靠的金属部件的革命性技术。而且增材制造出的产品要么可不经过后处理直接得到应用，要么也只需要经过并不复杂的后处理就可以投入使用。然而，铺粉式激光增材制造Ti6Al4V合金制品常常存在的问题就是强度有余而韧性不足。。这是因为在组织中会不可避免的在本应形成柱状晶β相优先生长的区域生成出针状的α'马氏体。在工程实践中，为了消除α'的不利影响，就必须上马热处理了。为了克服这一缺点，本文开发了一种设计新颖的SLM工艺将不希望生成的α'马氏体，通过原位分解的办法，让其转变成薄片的α+β组织，并将其控制在可调制的尺度范围内。这一薄片的 α+β组织会导致打印出的Ti6Al4V制品的机械性能数据超过ASTM中所规定的的性能数据。并超过采用其他增材制造技术所得到的Ti6Al4V合金制品的性能。而且，我们还发现β相的晶格参数可以作为预测SLM Ti6Al4V合金时是否发生了α'马氏体原位分解的标志。本文研究可以说在如何原位定制采用SLM技术增材制造Ti6Al4V合金的显微组织上迈出了非常重要的一步。这一工作发表在材料顶刊《Acta Materialia》上。
论文原位来源截图：
显微组织对大多数材料的宏观性能来说，其关系就像通过一个人的指纹来锁定一个人一样。对于采用传统的金属铸造成型来说，通过合适的工艺控制来实现显微组织的控制以获得期望的机械性能是最为常见的手段。对于铺粉式3D打印来说，精准的控制其显微组织并非易事。这是因为高能束流和粉末的交互作用非常剧烈且是非常快速的动态的过程。而且在铺粉增材制造过程中的热历史过程也是相当复杂的。这就为SLM技术获得高性能的Ti6Al4V合金带来巨大的挑战。Ti6Al4V是钛工业中应用最为广泛的合金，被称之为钛工业界的老黄牛。通常来说，SLM增材制造的Ti6Al4V合金强度上一般优于同等成分的变形件，但对于工程应用来说，其塑性和韧性却相对不足。需要通过后续的热处理来改善。造成塑性韧性不足的原因是柱状晶优先生长的β晶中生长有我们并不期望的α'马氏体，而α'马氏体易于成为裂纹萌生源和扩展源。从而造成必须采用热处理来改善这一状况。而后处理这一操作又使得SLM这一技术的有效性大打折扣。
论文研究成果简图
解决这一问题最大的挑战就是如何在可控的条件下将α'马氏体替换成我们所需要的 α+β相。更为重要的就是如何将α'马氏体原位转化生成一系列薄片状的可调制尺度范围内的 α+β相。从而获得不同的强度和韧性的组合，以最大限度的减少或避免后处理。最近，我们提出了一种适当改变SLM工艺参数的办法（如聚焦偏离距离，简称FOD；改变能量密度，简称E）可以使针状的α'马氏体原位生成α+β相。此时的α相板条的厚度在0.2~0.3微米的范围。而且这一超细的显微组织还会导致沉积状态的材料具有超高的屈服强度（屈服强度可以达到1106±6MPa，延伸率11.4±0.4%）。然而，由于FOD的距离可以调节的范围过窄，造成可以变动的工艺参数范围过窄，而且钛合金对FOD这一参数还相当敏感，造成实用性不大。如果不经热处理的话。基本无实用价值。现今的目标就是要在沉积态可以实现较宽参数调节范围的Ti6Al4V合金的显微结构的定制。
SLM和EBM两种不同的技术制造的Ti6Al4V合金的显微组织 ：
（a）制造平台的温度为200℃，制造时每层的分层厚度为30微米，得到α'马氏体；（b）制造时每层的分层厚度为50微米，制造平台的预热温度为730℃时得到α+β薄片状组织
本文研究所基于的假设就是增材制造过程中的连续的层层堆积生长的特性可以用来控制前一凝固层的热特性。在正常的SLM制造的条件下，α'马氏体是主要的生成相。然而，通过适当的设定工艺参数，我们假设每一前凝固层的温度可以原位得到升高。作为SLM增材制造的一个特性，得到每层的温度可以很高，如达到可控得到范围（600~850℃），此时就可以有效的促进α'马氏体的分解。如果我们可以将这一设定的温度实现长时间的保持的话，α'马氏体就可以完全分解。而且，如果我们期待的温度上升持续（600~850℃）保持的话，会促进材料的各向异性和减少（降低）材料的残余应力。、
制造直径为12mm时在不同参数下的SLM定制制造时得到的显微组织图
于是，本文就报道了我们的最新研究成果。我们发现，通过设计的创新性的SLM工艺路线，是可以将α'马氏体原位生成博片状的α+β相，并且将其控制在可调制的范围内。该范围为0.15~0.8微米。另外一个显著的优势就是该创新系统可实现柱状晶向等轴β相的转变。结果，具有优异强度（屈服强度1020~1110MPa）和韧性（11~15%）的综合性能较好的Ti6AL4V合金得以通过SLM来实现。而且，原位α'马氏体分解还导致了残余应力的降低（减少）。
样品尺寸改变时 SLM定制得到的不同的显微组织
不同区域放大倍数下的显微组织
论文来源：
W.Xu;E.W.Lui;A.Pateras;M.Qian;M.Brandt;,In situ tailoring microstructure in additively manufactured Ti-6Al-4V for superior mechanical performance[J],Acta Materialia,Volume 125, 15 February 2017, Pages 390-400
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2016.12.027
点击下载原文：In situ tailoring microstructure in additively manufactured Ti-6Al-4V.pdf
