【引言】

對于金屬增材制造，增材制造中促狀尤其是過程過渡鈦合金，柱狀晶的進(jìn)鈦形成由于會導(dǎo)致機(jī)械性能的各相異性，因此一直希望避免。合金和晶化材故促使柱狀晶向等軸晶演化(CET)，柱等軸獲得具有各相同性的粒細(xì)料牛晶粒細(xì)化的等軸晶獲得了極大的關(guān)注。獲得等軸晶主要通過調(diào)節(jié)過程參數(shù)，增材制造中促狀例如溫度梯度(G)，過程過渡S/L界面生長速率(R)，進(jìn)鈦冷卻速率進(jìn)行制造。合金和晶化材并且合金成分也是柱等軸影響等軸晶形成的主要因素。

為了使CET發(fā)生，粒細(xì)料牛過冷液體必須存在于柱狀前端之前，增材制造中促狀以使大部分等軸晶粒形核或使分離的過程過渡固體碎片或未熔化的粉末存活和生長。過冷(ΔT_CS)溶質(zhì)產(chǎn)生ΔT_CS的進(jìn)鈦速率由生長限制因子Q決定，其中具有大Q值的溶質(zhì)快速產(chǎn)生ΔT_CS并且被認(rèn)為是可以提供有效晶粒細(xì)化的生長限制溶質(zhì)。Ti-6Al-4V中的Al和V溶質(zhì)不提供ΔT_CS(Al和V溶質(zhì)在Ti 中具有可忽略的Q值)，因此Ti-6Al-4V在AM期間難以實(shí)現(xiàn)CET。

【成果簡介】

近日，昆士蘭大學(xué)M.J. Bermingham(第一兼通訊作者)在Acta Materialia發(fā)表題為“Promoting the columnar to equiaxed transition and grain refinement of titanium alloys during additive manufacturing”的文章。研究人員對基于絲材增材制造過程中凝固的熱力學(xué)條件進(jìn)行了表征，并探索了合金成分對等軸晶形成的作用(β-Ti在La₂O₃形核，實(shí)現(xiàn)了顯著的細(xì)化和等軸晶粒形成) 。由于熱環(huán)境是動(dòng)態(tài)的，只有當(dāng)溫度梯度充分降低以允許組分過冷時(shí)才能實(shí)現(xiàn)等軸晶粒形成。

【圖文導(dǎo)讀】

圖一 實(shí)驗(yàn)裝置及原理圖

(A) 高溫計(jì)用于測量實(shí)時(shí)冷卻速率（沿Y軸沉積），攝像機(jī)用于觀察Y-Z平面的過程；

(B) 沉積速度400mm/min的示例;光學(xué)和背散射SEM圖像示出了如何確定平均溫度梯度G。

圖二 凝固過程中熱力學(xué)測量

(A) Ti-6Al-4V冷卻速率，50-400mm/min的沉積速度

(B)100mm/min冷卻速率，三個(gè)時(shí)間間隔圖片

(C) 凝固曲線

圖三 冷卻速率曲線

Ti-6Al-4V，Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr和Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr + La₂O₃凝固期間在沉積結(jié)束時(shí)收集的典型冷卻曲線

圖四 熱力學(xué)條件下沉積的Ti合金顯微結(jié)構(gòu)

(A-C) 分別是 Ti-6Al-4V、Ti-3Al-6Cr-4Mo-4Zr、Ti-3Al-6Cr-4Mo-4Zr + La₂O₃微觀結(jié)構(gòu)

(D) 平均晶粒尺寸 沉積速度 50mm/min

圖五 沉積前后的La₂O₃尺寸與分布

(A) 沉積前La₂O₃背散射SEM圖像

(B) 沉積過程中，顆粒形狀變得更加球形化并且尺寸減小

(C) 沉積后的La₂O₃粒度分布

(D) 在Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr內(nèi)不同層中分布的La₂O₃顆粒的面積分?jǐn)?shù)

圖六 Ti-6Al-4V熔池內(nèi)的溫度分布

(A) 和(B)為基于Bai等人的分析開發(fā)的Ti-6Al-4V增材制造傳熱模型，D為動(dòng)態(tài)溫度梯度的新實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖七 不同時(shí)間間隔AM凝固期間應(yīng)用的相互依賴模型的原理

t₁ΔT_N=0℃，無ΔT_CS或溶質(zhì)擴(kuò)散到液體中

t₂少量外延生長，G太陡，無ΔT_CS，附近顆粒無法激活

t₃G持續(xù)減小，ΔT_CS<ΔT_N，存在小的過冷區(qū)

t₄附近無成核粒子存在，柱狀生長

t₅等軸晶粒生成

圖八 晶粒尺寸—Q曲線

Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Z中La₂O₃對的存在使晶粒尺寸減小到超過單獨(dú)溶質(zhì)效應(yīng)可實(shí)現(xiàn)的水平

文獻(xiàn)鏈接：Promoting the columnar to equiaxed transition and grain refinement of titanium alloys during additive manufacturing?(Acta Mater., 2019, DOI: 10.1016/j.actamat.2019.02.020)

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