上海交大：抗拉高达1120MPa！增材制造高强度、高延伸率分层细化Ti-Ni合金！
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导读：本文通过添加至约0.4wt％的Ni避免了脆性的共析Ti2Ni相的形成，并且在选择性激光熔化的Ti-0.4Ni合金中获得了由纳米级板条α'组成的超细且可延展的显微组织。Ni的固溶强化和细化效果导致强度从纯Ti的〜745 MPa显著提高到Ti-0.4Ni合金的〜1120 MPa，并且具有8.8％的良好伸长率。通过对钛合金进行微合金化处理，可以提高增材制造钛合金的性能。
增材制造(AM)也被称为3D打印，是一种革命性的粉末冶金技术，可以直接快速制造具有极其复杂配置的金属部件，包括逐层熔化粉末。同时，也给冶金与材料科学的发展带来了新的挑战和机遇。选择性激光熔化(SLM)是一种重要的金属AM技术。其特征是超快冷却速度3×10^8 K / S。因此，SLM在组织是非平衡，可通过SLM过程可使金属进行微结构设计。
在传统的冶金方法中，要小心地在钛合金中加入促进共析反应的共析形成元素Cu和Ni，因为它们会促进脆性相Ti2M的形成，导致脆性。而共析形成元素(Cu、Fe、W等)可以细化增材制造钛合金的微观组织。研究表明，Cu对Ti-Cu合金在拉伸过程中的生长抑制因子(Q)起作用，并通过形成细小等轴α-Ti来细化最终组织。然而，Ti2Cu存在于Ti-Cu合金中，导致其脆性。因此，利用共析形成元素的晶粒细化作用，可避免形成共析TixM金属间化合物，是开发具有良好力学性能的新型AM钛合金的一个方面。
在此，上海交通大学李柱国教授团队通过SLM调节共析相形成元素Ni的加入，成功地避免了脆性Ti2Ni相的形成，从而产生了强韧性Ti-Ni合金。该方法关键在于利用Ni作为微合金化元素，通过优化SLM的能量密度(E)，促进无共析Ti2Ni的超细非平衡组织的形成。SLM Ti-0.4Ni的强度由~ 920 MPa提高至1120 MPa，同时还有8.8%的断后伸长率。相关研究成果以题“Hierarchical refinement of nickel-microalloyed titanium during additive manufacturing”发表在Scripta Materialia上。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.113727
为了探究SLM Ti-0.4Ni的性能，作者使用了不同的SLM参数:参数1(输入能量E= 111.1 J/mm3)、参数2 (E=83.3J/mm3)、参数3 (E= 66.6J/mm3)。图2h显示了不同参数的打印态Ti-0.4 ni合金的拉伸应力-应变图，并与纯Ti进行了对比。在相同的SLM参数(参数1)下，Ti -0.4 Ni合金的强度提高了175 MPa，达到~920 MPa，而纯钛为745 MPa。随着E值从111.1 J/mm3(参数1)降至66.6 J/mm3(参数3)，SLM Ti-0.4Ni的强度由~ 920 MPa提高至1120 MPa，伸长率由11.4%降低至8.8%。
图1。具有不同Ni含量的Ti @ Ni复合粉末的SEM形态：（a）3.0 wt。％Ni，（d）1.6 wt。％Ni，（j）0.4 wt。％Ni，（m）纯Ti。沿SLM Ti-Ni钛合金和纯Ti的生成方向的SEM显微组织：（b）Ti-3Ni，（e）Ti-1.6Ni，（k）Ti-0.4Ni，（n）纯Ti。（c）Ti-3Ni，（l）Ti-0.4Ni，（o）纯Ti的EBSD逆极图（IPF）图。在拉伸试验之前从基板上切下后的拉伸试样的宏观形态：（f）Ti-3Ni，（g）Ti-1.6Ni，（h）Ti-0.4Ni。（i）Ti-0.4Ni拉伸试样的韧性断裂的SEM形貌。（b1），（c1），（e1），（k1）和（n1）分别是（b），（c），（e），（k）和（n）的放大视图。
图2。沿SLM Ti-0.4Ni合金扫描方向的SEM和TEM显微照片：（a）参数1，（b）参数2，和（c）参数3。参数1，参数2和参数3对应于能量密度（E 111.1）的J /毫米3，83.3焦耳/毫米3和66.6焦耳/毫米3， 分别。（d）和（f）分别带有参数1和参数3的印刷Ti-0.4Ni样品的EBSD逆极图（IPF）图。（g）和（i）谱带对比图加上分别对应于（d）和（f）的晶界，将具有不同取向（θ）的晶界绘制为带有颜色的线（黄色（15°<θ<45° ）和蓝色（θ> 45°））。（e）从打印后的纯Ti和Ti-0.4Ni合金获得的XRD实验，其中参数1和参数3表示样品中仅存在hcp-α'相，而没有Ti 2 Ni相。（h）具有不同参数的印刷Ti-0.4Ni样品的拉伸应力-应变曲线，并与纯Ti样品进行比较。
图3。（a）使用参数3（E = 66.6 J / mm 3）制成的SLM Ti-0.4Ni合金的显微组织的HAADF图像，（b）对应于（a）中的α'-Ti的选定区域电子衍射（SAED）图案），（c）和（d）对应于（a）显示Ni和Ti分布的EDX图。
图4。（a）Ti-Ni相图的一部分，表明选择进行选择性激光熔化的成分（0.4 wt。％），（b）连续冷却转变图的示意图，说明了Ti-0.4Ni合金在不同温度下的不同固-固相变途径在不同的冷却速率下，Ms代表马氏体转变开始温度。经过SLM处理的β相的超高冷却速率（v1，v2和v3，v1 <v2 < v3）完全转变为α'相，而没有发生β→α+ Ti 2 Ni反应。（c）在不同的冷却速度（v1和v3）下，SLM纯Ti和Ti-0.4Ni合金的相变行为示意图。
总之，微合金化的镍（0.4％（wt））可显著增强SLM Ti-0.4Ni合金的强度。微合金化与Ni的结合以及优化的SLM参数有助于形成具有捕获的Ni的超细非平衡α'-马氏体，并避免了脆性共析相的形成。这导致了分层精炼的SLM Ti-0.4Ni合金。Ni的固溶强化和细化效果导致强度从纯Ti的〜745 MPa显著增加到Ti-0.4Ni合金的〜1120 MPa，并且具有良好的伸长率8.8％。