鈦(Ti)合金由于比強(qiáng)度高、耐腐蝕性能優(yōu)異、疲勞性能良好被廣泛應(yīng)用于航空航天和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。晶界α-相(GB-α)是Ti合金中常見(jiàn)的組織之一，被認(rèn)為對(duì)力學(xué)性能有不利影響。Ti合金中GB-α的形成受一系列因素的影響，如冷卻速度、退火溫度和合金成分。GB-α的形態(tài)可分為連續(xù)型和不連續(xù)型兩種，連續(xù)的GB-α被認(rèn)為優(yōu)先在β相的大角度晶界(HAGBs)處形成，β鈦合金中不連續(xù)GB-α的形成可能是由于大角度晶界上初生GB-α之間的元素偏析造成。

此外，β相向α相轉(zhuǎn)變過(guò)程中的不同選擇也決定了GB-α相的形態(tài)。對(duì)Ti-6Al-4V(Ti-64)等激光粉末床融合(LPBF)加工后的Ti合金進(jìn)行熱處理是獲得理想力學(xué)性能的重要途徑。在LPBF處理的Ti合金中，經(jīng)過(guò)各種熱處理后，可以很容易地識(shí)別出GB-α的存在，而GB-α在制備狀態(tài)下幾乎沒(méi)有被注意到。雖然在常規(guī)制造的鈦合金中，GB-α的形成機(jī)制已經(jīng)被證實(shí)，通常與化學(xué)動(dòng)力和晶體取向有關(guān)，但在LPBF加工的鈦合金中，GB-α的生長(zhǎng)行為卻很少被報(bào)道。

上海理工大學(xué)的研究人員探討了GB-α在LPBF處理Ti-64中的析出和粗化行為。相關(guān)論文以題為“Grain boundary α-phase precipitation and coarsening: Comparing laser powder bed fusion with as-cast Ti-6Al-4V”發(fā)表在scripta Materialia。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114261

本文通過(guò)氣體霧化法制備合金粉末，合金成分為T(mén)i-6.20Al-4.04V-0.15O-0.01C-0.028N-0.0043H-0.20Fe。激光功率265W，掃描速度1100mm/min，開(kāi)口距離0.15mm，層厚0.04mm。熱處理溫度為750℃、850℃、950℃，保溫時(shí)間1、2、3、6h(水淬)，對(duì)比鑄態(tài)Ti-64試樣進(jìn)行相同熱處理。

研究發(fā)現(xiàn)制備的Ti-64在原有的β晶界上沒(méi)有出現(xiàn)GB-α相，與之前的研究一致，在不同溫度熱處理后，GB-α可以在EBSD逆極圖中識(shí)別出來(lái)。在750℃熱處理的樣品，只能識(shí)別出少量的GB-α相，其厚度為0.87±0.23μm；隨著溫度的升高，GB-α呈現(xiàn)出近乎連續(xù)的形貌，850℃/5min后測(cè)得其平均厚度為1.19±0.19μm，950℃/5min后測(cè)得其平均厚度為1.63±0.13μm。樣品GB-α相主要分布在β晶界的三重連接處(TJs)，GB-α在TJs處的優(yōu)先形核可能與這些位置存在較多的晶體缺陷有關(guān)，這些缺陷是由于GB位錯(cuò)造成的，它導(dǎo)致存儲(chǔ)能量更高，并促進(jìn)擴(kuò)散，有益于GB-α相形核。

圖 1 750℃/5 min、850℃/5 min、950℃/5 min時(shí)α相反極圖和β相反極圖

圖2 750℃/5min、850℃/5min、950℃/5min時(shí)EBSD圖

圖3 不同熱處理后LPBF和鑄態(tài)Ti-64的GB-α厚度以及高溫對(duì)粗化系數(shù)n的影響

圖4 EBSD分析850℃/5min試樣及生長(zhǎng)示意圖

綜上所述，本文研究了LPBF處理Ti-64后熱處理過(guò)程中GB-α的析出和粗化行為。Ti-64的顯微組織為全α馬氏體，無(wú)GB-α相。在隨后的高溫處理過(guò)程中，由于在這些位置的界面能較高，GB-α在之前β晶界的TJs處迅速析出和生長(zhǎng)。高溫?zé)崽幚磉^(guò)程中，GB-α連續(xù)粗化行為遵循經(jīng)典Lifshiz和Slyozov，Wanger理論(LSW)，該理論表明，在750℃時(shí)粗化行為為體擴(kuò)散，在850℃和950℃時(shí)發(fā)生界面反應(yīng)。在不同溫度下，從體擴(kuò)散到界面反應(yīng)的粗化行為變化可能是由于某些α片層出現(xiàn)界面不穩(wěn)定析出，導(dǎo)致GB-α的曲率增大。本研究得出的LPBF處理后退火工藝與GB-α析出和粗化行為之間的相關(guān)性有助于進(jìn)一步提高鈦合金的力學(xué)性能。