浙大 l 激光定向能量沉积Ti-Al-V-Fe-B合金原位α相和TiB调控增强强塑性协同

导读：通过增材制造开发兼具高强度和良好延展性且无需后续热处理的低成本钛合金极具挑战性。本研究表明，在激光定向能量沉积（LDED）工艺中，通过精确控制激光能量密度（LED），可实现向 Ti-6Al-4V（TC4）中添加 B 和 Fe 元素以原位调控 α 相和 TiB 相。当 α 相接近等轴状时，形成更多不连续的晶界 α 相（GB-α），且原位生成的针状 TiB 相均匀分散于基体中，此时 Ti-6Al-4V-3Fe-0.05B（TC4-Fe-B）合金表现出高屈服强度（1315 MPa）、抗拉强度（1396 MPa）和延展性（11.4%）。其优异强度主要归因于固溶强化、细晶强化、奥罗万强化以及 TiB 相的承载效应强化。变形后，在近等轴 α 相中观察到形变孪晶。同时，不连续的晶界 α 相（GB-α）、更小的晶粒尺寸以及 α 基体中弥散分布的 TiB 相可降低应力集中并使变形均匀化，从而提升延展性。本研究为基于增材制造工艺控制的原位合金化与复合化提供了重要指导，以实现钛合金拉伸强度 - 延展性的协同提升。

“3D Science Valley 白皮书 图文解析

钛合金，尤其是通过激光定向能量沉积（LDED）制备的广泛应用的TC4合金，因其高比强度、优异的耐腐蚀性、近净成形大型构件的能力以及激光修复能力而备受关注。然而，打印态TC4始终面临强度与延展性不匹配的问题。这是由于多循环加热和高冷却速率的固有特性，限制了其进一步的工业应用。因此，提出打印态TC4高强度与延展性协同提升的新策略至关重要。

通过增材制造（AM）工艺制备的合金，其力学性能可通过多种工艺或材料相关策略进行调控。工艺相关策略既包括外部参数（如高强度超声和磁场辅助AM技术），也包括内部工艺参数（如激光功率、扫描速度、光斑尺寸、层间停留时间等）。显然，AM的固有参数更易于调整，因此在文献中已被广泛研究。为了实现高密度制造，LDED需要比其他激光制造工艺（如激光粉末床熔融，LPBF）更高的能量密度，导致制造过程中熔池穿透更深。因此，LDED工艺会增加对熔融层的热输入，这通常导致α′相分解为α相。因此，LDED制备的钛合金通常表现出较高的延展性，但强度较低。

近期研究表明，添加具有高生长限制因子（Q）的溶质元素（如Cu、Fe、B）可显著细化纯钛和TC4合金的显微组织，从而提高增材制造中的强度。尽管实现了显著的晶粒细化和强度提升，但在高添加量下，由于脆性金属间化合物（如Ti₂Cu、TiFe、TiB）的形成，延展性往往会牺牲。成本效益高的溶质Fe也是最强的β稳定元素，吸引了研究人员的更多关注。最近有报道称，在TC4中适当添加约3 wt%的Fe时，不会出现脆性TiFe金属间化合物。在激光丝材沉积过程中，添加3.3 wt.%或4.7 wt.%的较高含量Fe会形成TiFe金属间化合物，这对延展性不利。此外，添加316 L或Fe可促进相变诱导塑性效应，从而增强强度-塑性匹配能力，但屈服强度仍较低。此外，硼化钛具有高弹性模量（~450-550 GPa）和热稳定性，且热膨胀系数（CTE）与钛相似，使其成为钛基复合材料的理想增强相。然而，较高的B添加量或TiB的聚集会导致塑性变形过程中TiB易开裂，从而降低延展性。因此，控制硼化钛的添加量和分散性至关重要。在最近的一篇报告中，Li等人采用粉末冶金工艺在初始β晶界和晶粒内形成TiB分散体，从而改善了合金的延展性。然而，这些合金中TiB尺寸较大，难以获得第二相强化效果。在我们之前的工作中，利用LDED技术在TC4基体中原位获得了小尺寸TiB，由于TiB晶须构成的网络结构，合金的强度得到了提高。但该研究未充分解决延展性较低的影响，也未提及弥散强化TiB。

在本工作中，我们在LDED工艺中开发了成分与工艺控制的新组合，以调控TC4的显微组织和力学性能。通过激光能量密度（LED）调整，实现了TiB分布以及α相尺寸和形貌的原位调控。系统研究了显微组织演变、拉伸和断裂行为。此外，分析了拉伸强度和延展性提升的潜在机制。

相关研究成果以“In-situ α-phase and TiB modulation for enhanced strength-ductility synergy in laser-directed energy deposited Ti-Al-V-Fe-B Alloy”发表在Additive Manufacturing

链接https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860425002039

图1. (a) TC4粉末、(b) Fe粉末和(c) B粉末的SEM显微图像。(d) 球磨粉末混合示意图。(e) 混合粉末的SEM显微图像及EDS面扫描的Ti、Al、V、Fe和B元素分布。Fe表面(e1)和TC4表面(e2)硼粉分布的SEM图像。(f) B元素在TC4球形粉末上分布的EPMA表征：(f1) 测试区域的背散射电子图像，(f2)和(f3) 分别为B和Ti元素的分布图。

图 2. (a) 激光定向能量沉积（L-DED）加工工艺。(b) XY平面交叉扫描路径。(c) LDED制备的样品及从打印件中截取的拉伸试样尺寸（单位：mm）。(d)和(e)分别为变形前后测试位置的示意图。

表1. 激光定向能量沉积（LDED）工艺参数及测得的样品密度

图 3. (a–f) SEM显微组织显示了S40、S68、S100、S120、S150和TC4-120合金的增材制造质量及TiB分布。(d1) S120的高倍二次电子图像，(d2) 相应的电子探针显微分析（EPMA）图像

图4. (a–f) 高倍SEM图像显示了打印态S40、S68、S100、S120、S150和TC4-120合金的显微组织演变。

图5. (a) 打印态S40、S68、S100、S120、S150和TC4-120合金的α相厚度及(b) X射线衍射图谱。

图6. S100（a1-a4）、S120（b1-b4）和TC4-120（c1-c4）的EBSD晶体取向图（a1, b1, c1）、重构母相显微组织图（a2, b2, c2）、核平均取向差（KAM）图（a3, b3, c3）及相应的KAM值分布（a4, b4, c4）。

图7. (a) S40、S68、S100、S120、S150和TC4-120合金的工程应力-应变曲线，(b) 屈服强度与断裂应变的Ashby图。(c1-c3) S120断口形貌的SEM观察，(c4) S120断口剖面的高倍SEM图像，(d1-d2) TC4-120断口形貌的SEM观察。

表2. 打印态S40、S68、S100、S120、S150和TC4-120合金的屈服强度（σ0.2）、抗拉强度（σUTS）、均匀延伸率（eu）和断裂延伸率（ef）

图8. 通过数字图像相关（DIC）分析获得的拉伸断裂试样S120和TC4-120的局部应变分布图。

图9. 拉伸试验后S100（a1-a3）和TC4-120（b1-b3）的EBSD晶体取向图（a1, b1）、核平均取向差（KAM）图（a2, b2）及相应的KAM值分布（a3, b3）。

图10. 拉伸断裂后S120合金中TiB附近变形显微组织的TEM分析。(a) EDS面扫描结果显示β相内Fe元素富集及TiB的存在。(b) 拉伸试验后TiB晶须附近显微组织的明场TEM图像，插图为α相、β相和TiB相的选区电子衍射（SAED）图。(c) 对应于(b)中黄色虚线方框区域的高倍图像，显示TiB晶须附近的形变孪晶。(d) 图(c)的快速傅里叶变换（FFT）图谱。(e,f,g) 高分辨透射电镜（HRTEM）图像对应于图(c)中的标记位置。

图11. 拉伸断裂后S120合金中α/β界面及α基体变形显微组织的TEM分析。(a) 拉伸试验后α/β界面变形组织的明场TEM图像。(b) 对应于(a)中黄色虚线方框区域的高倍图像，显示α/β界面附近的形变孪晶。(c) α/β界面处的高分辨透射电镜（HRTEM）图像，显示α/β相内不同方向的纳米孪晶。(d) α/β界面处的HRTEM图像，显示{10̅1}α孪晶尖端存在位错（白色“⊥”符号标记），(d1)和(d2)分别为(d)中标记位置β相和α相的逆快速傅里叶变换（IFFT）图像。(e) 图(d)的快速傅里叶变换（FFT）图谱。(f) 拉伸试验后α相内变形组织的明场TEM图像，插图为黄色虚线方框区域的高倍图像，显示贯穿α相的变形纳米孪晶。(g) 纳米孪晶的HRTEM图像。(h) 图(g)的选区电子衍射（SAED）图。

表3. 不同强化机制计算贡献增量及总强化贡献估算汇总

本研究系统研究了通过不同激光能量密度（LED）的激光定向能量沉积（LDED）工艺制备的TC4-Fe-B合金的显微组织演变和力学性能。LDED工艺能够原位调控α相和TiB的分布，从而实现强度-延展性的协同提升，尤其是在S120样品中表现显著。针对具有优异强韧性匹配能力的S120合金，详细分析了其强化和增韧机制。可得出以下结论：

1. 通过LDED工艺与不同LED参数的结合，成功制备了TC4-Fe-B合金。原位生成的TiB晶须存在于基体中，基体由主要的α相（~80%）和少量（~20%）残余β相组成。

2. 通过优化LDED工艺参数（尤其是LED控制），实现了显微组织的调控，包括TiB的分散、α相的球化以及不连续晶界α相（GB-α）的形成。LED通过调节熔池动态和循环热历史，为增强力学性能的多功能显微组织工程提供了可能。

3. TC4-Fe-B合金中α相、GB-α的尺寸和形貌差异，以及TiB的分布差异，导致了其力学性能的不同。含有α'马氏体和α板条的S68合金具有~1438 MPa的屈服强度、~1520 MPa的抗拉强度和~5.3%的可接受延展性。S120合金表现出最佳的拉伸性能，同时实现了屈服强度（~1315 MPa）、抗拉强度（~1396 MPa）和延展性（~11.4%）的提升。

4. 特别地，分析了S120合金强度与延展性协同增强的强化和变形机制。强度的提升归因于固溶强化、细晶强化、奥罗万强化和承载效应强化的协同作用。延展性的提升则归因于近等轴α相的形成、α基体中弥散分布的TiB、不连续GB-α、较小的晶粒尺寸，以及TiB界面和α/β界面附近的形变孪晶，以及贯穿α相的形变孪晶。

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