短时热处理恢复原位合金化增材制造Ti-Fe合金延展性的机理研究

《Materials Science and Engineering: A》：Restoring the ductility of in-situ alloying additively manufactured Ti-Fe alloy via short-time heat treatment

本文聚焦于激光粉末床熔融（LPBF）原位合金化制备Ti-Fe合金中存在的化学不均匀性（β斑）问题。研究提出一种仅需数分钟的短时热处理策略，通过促进Fe元素快速扩散、减小偏聚缺陷并调控纳米尺度α/β相组织，成功恢复了合金的塑性变形能力，为解决增材制造合金成分不均提供了高效方案。

　　

亮点

通过短时热处理恢复原位合金化增材制造Ti-Fe合金的延展性

结果与讨论

原位合金化LPBF过程中β斑的形成机制

我们前期的研究已经指出，实现均匀原位合金化的两个标准是：混合粉末的完全熔化以及熔化元素有足够的时间进行扩散。在当前情况下，纯钛和铁的熔点相近（分别为1668 °C和1538 °C），因此在优化能量密度的激光照射下，允许混合元素粉末同时熔化。然而，由于LPBF过程固有的高冷却速率（通常高达10⁵-10⁶ K/s），熔池内的扩散时间极短，导致Fe元素无法充分混合均匀。此外，熔池内强烈的马兰戈尼对流会将富Fe的熔体推向熔池尾部，最终在快速凝固下形成新月形的β斑缺陷。

短时热处理对β斑的消除作用

短时热处理（仅数分钟）被提出用于消除β斑，从而改善Ti-Fe合金的延展性。研究发现，由于铁元素的快速扩散，短时热处理后Fe偏聚缺陷的尺寸和化学浓度均显著降低。这缓解了变形过程中的力学不均匀性和应力集中，从而恢复了LPBF Ti-Fe合金的塑性变形能力。同时，在纳米尺度上，溶解在层片状α晶格中的过饱和Fe元素在短时热处理后被重新分配到层片间的β相中，加之α层片的增宽，共同导致了Ti-Fe合金强度的显著软化。

结论

本工作中，采用原位合金化LPBF方法打印了Ti-Fe合金，旨在改善纯钛的力学性能。受限于LPBF过程固有的快速凝固特性，在熔池马兰戈尼对流的影响下形成了一些微米尺度的新月形β斑，这导致了建造态Ti-Fe合金在变形时表现出脆性。研究提出了一种仅需数分钟的短时热处理方法来消除β斑，从而提高合金的延展性。