導(dǎo)讀：為了平衡Ti-6Al-4V合金的強度和塑性，本文采用基于冷金屬轉(zhuǎn)移（CMT）技術(shù)的電弧增材制造（WAAM）原位合成了循環(huán)梯度分布的TiB晶須，作為Ti-6Al-4V合金的增強相。添加0.05 wt.%B的Ti-6Al-4V合金的抗拉強度達到1089 MPa，比直接沉積的Ti-6Al-4V合金高17%，延伸率保持在8%。TiB晶須的晶粒細化和循環(huán)梯度分布導(dǎo)致了強度和塑性的協(xié)同提高。當硼含量為0.15 wt.%時，沉積合金的拉伸強度達到1178 MPa，延伸率降至5.2%，這是由于沿β晶界形成準連續(xù)TiB晶須。Ti-6Al-4V (Ti64)合金因其具有高強度-重量比、良好的抗疲勞性能和優(yōu)異的耐腐蝕性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、生物醫(yī)藥等行業(yè)。近幾十年來，人們越來越關(guān)注Ti-6Al-4V合金的增材制造(AM)。然而，基于熔融的AM工藝存在溫度梯度和多次高溫熱循環(huán)，導(dǎo)致了大柱狀初生β-Ti晶粒的形成。大柱狀初生晶粒的存在通常導(dǎo)致沉積態(tài)合金的力學性能較差且具有高度的各向異性。通過多種方法調(diào)控增材制造鈦合金的顯微組織，包括熱處理、熱鍛、超聲噴丸處理和元素合金化等方法。其中，添加合金元素是細化鈦合金組織的最有效方法之一。有報道稱，在鈦合金中添加硼、硅、鑭和鈷等元素可以細化凝固過程中的初生β晶粒。硼添加劑由于與鈦具有良好的化學親和力，能形成TiB相，界面清晰，因而得到了廣泛的研究。值得注意的是，加入B后原位形成均勻分散的TiB晶須可提高鈦合金的強度，但降低了沉積合金的塑性。為了解決這個問題，在基體中形成非均勻分布的強化相可能是一種有效的方法。然而，對于強化相的分布特性及其對增材制造鈦合金的力學性能的影響研究很少。為了平衡Ti64合金的強度和塑性，天津大學楊振文等人設(shè)計了循環(huán)梯度分布的TiB晶須作為電弧增材制造Ti64合金的強化相。在快速非平衡凝固過程中，TiB晶須的不均勻分布是由合金元素的偏析引起的宏觀偏析造成的。實驗驗證了利用CMT-WAAM制備TiB晶須分布不均勻的Ti64合金的可行性，添加0.05 wt.%B的Ti-6Al-4V合金的抗拉強度達到1089 MPa，比直接沉積的Ti-6Al-4V合金高17%，延伸率保持在8%。TiB晶須的晶粒細化和循環(huán)梯度分布導(dǎo)致了強度和塑性的協(xié)同提高。相關(guān)研究成果以“Balance of strength and plasticity of additive manufactured Ti-6Al-4V alloy by forming TiB whiskers with cyclic gradient distribution”發(fā)表在期刊“Additive Manufacturing”https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.101883
添加微量B顯著細化了柱狀初生β晶，原位合成了TiB晶須，其數(shù)量從單個沉積層的底部逐漸增加到頂部。隨著B含量的增加，TiB晶須由分散分布在鈦基體中逐漸演變?yōu)檠爻跎戮Ы缧纬傻捻楁湢顪蔬B續(xù)結(jié)構(gòu)。根據(jù)TiB晶須的分布特征，從沉積層的底部到頂部可以區(qū)分出粗等軸晶、樹枝晶和細等軸晶3種初生β晶粒形貌。
（a）設(shè)備設(shè)置；（b）添加硼的沉積工藝；（c）拉伸試樣；（d）試樣位置圖2 （a）Ti64和Ti64-0.05B的XRD譜圖和（b）沉積Ti64和Ti64-0.05 b的斷面微觀結(jié)構(gòu)。圖3 Ti64-0.05B合金沉積層中不同位置的SEM圖像（a）原位合成TiB的亮場TEM圖像；（b，c）α-Ti和TiB的選區(qū)電子衍射圖；（d）在α板條上的元素分布，（e）高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）觀察TiB/Ti界面。在添加硼后，HABs位于相鄰沉積層之間，這是由于缺少TiB晶須和粗化帶的存在。粗化帶的形成機制是不完全共晶反應(yīng)。合金組織的細化和TiB晶須的梯度分布改善了沉積合金的力學性能。其中，Ti64-0.05合金的抗拉強度達到1089 MPa，比Ti64合金提高了17%，延伸率保持在8%，但沒有明顯降低。隨著硼的加入，拉伸強度增加，延性降低。圖5 Ti64和Ti64-0.05B合金的力學性能和斷口形貌：（a）典型工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線;（b）Ti64-0.05B合金的塑性斷口區(qū)域;（c）Ti64-0.05B合金的塑性-脆性混合斷裂區(qū);（d-f）c中區(qū)域的高倍放大。圖7 TiB晶須在（a-c）Ti64-0.1B和（d-f）Ti64-0.15B沉積層中的分布。（a）Ti64，（b）Ti64-0.05B，（c）Ti64-0.1B，（d）Ti64-0.15?B圖9 T64-0.15B合金兩相鄰層間區(qū)顯微組織和熱歷史的演變：（a）兩層交叉部位SEM圖像的拼接;（b） k型熱電偶插入熔池底部的熱歷史和（c）粗化區(qū)域的高倍放大。（a）水平取向，（b）垂直取向，（c）各向異性，（d）拉伸性能與前人研究的比較Ti64合金的初始微孔主要來源于α/β板條和晶界-α的界面，而硼改性合金的微孔主要來源于TiB/Ti界面。TiB晶須的斷裂取決于Ti64-0.05B中TiB晶須的空間取向與拉伸方向的關(guān)系。準連續(xù)TiB晶須促進裂紋的形成和擴展，這解釋了進一步添加B降低塑性的原因。（a）Ti64-0.05B水平拉伸試樣的照片;（b-e）從白框標記區(qū)域選取的SEM圖像;（f）斷裂機制示意圖
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