激光粉末床熔融增材制造Zr-2.5Nb合金的热处理：相变机制、微观组织特征及机械性能

《Journal of Alloys and Compounds》：Heat Treatment of Laser Powder Bed Fusion Additively Manufactured Zr-2.5 Nb Alloy: Phase Transformation Mechanisms, Microstructural Characteristics, and Mechanical Performance

本研究系统探究了热处理参数（600-900°C及三种冷却方法）对激光粉末床融合（LPBF）制备Zr-2.5Nb合金显微组织和力学性能的影响，揭示了相变机制与力学性能的协同调控规律。

　　
本研究聚焦于激光粉末床融合（LPBF）制备的Zr-2.5Nb合金在热处理过程中微观结构演变与力学性能调控机制。该合金作为新型生物医用金属材料，其优异的耐腐蚀性、生物相容性和低磁导率特性备受关注，但传统铸造与锻造工艺存在生产效率低、难以实现复杂结构等问题。LPBF技术通过粉末层熔化逐层成型，能够制备具有高精度复杂结构的部件，但其快速冷却过程形成的非平衡态微观组织（如针状α'马氏体、高密度位错及变形孪晶）导致材料脆性突出，延伸率不足10%，无法满足骨科植入件对综合力学性能的需求。

研究系统考察了600-900°C退火温度与三种冷却方式（炉冷/空冷/水淬）对微观组织与力学性能的协同影响。在600-800°C温度区间，热处理以相变调控为主：针状α'马氏体在低温退火时（600-700°C）通过分解反应转化为α+β双相层状结构，这一过程伴随着位错密度降低和晶界强化效应，使材料在保持高强度（660-780MPa）的同时延伸率显著提升至25-28%。800-900°C区间则呈现完全不同的调控机制，特别是冷却方式的影响权重陡增。当采用空冷或水淬时，β相基体中析出细小针状αs相或保持α'马氏体形态，形成双模态组织，这导致材料强度维持在800-950MPa区间，但延展性下降至11-15%。反观炉冷处理，通过抑制相变过程促使粗大等轴α相（αp）在β基体中析出，这种粗化效应使强度降低至660MPa以下，但位错缠结密度下降使延展性提升至22-25%。

微观组织分析揭示了多尺度协同调控机制。在500-800μm的粗大β晶界内，热处理促使α相以两种不同方式析出：一种是沿β晶界延伸的片层状α+β双相结构（800°C以下），另一种是离散分布的αs/α'混合结构（800°C以上）。当退火温度超过850°C时，β相开始发生再结晶，形成亚微米级（5-8μm）等轴晶区，这导致材料出现各向异性，平行于沉积方向的力学性能比垂直方向提升15-20%。研究特别指出，水淬处理在900°C时能形成高达40vol%的α'马氏体残留，其高密度位错（约101?/cm2）和{10< overline >1< overline >0< overline >2< overline >孪晶界构成独特的强化网络，使抗拉强度突破980MPa，但延展性骤降至12%以下。

冷却方式对微观组织的调控存在显著差异。炉冷处理通过激活再结晶过程，促使β相粗化并析出等轴αp相，这种粗化机制能有效降低裂纹萌生率，使材料在660MPa强度下获得22%的延伸率。空冷处理则通过抑制再结晶，在β相中形成纳米级αs析出相（尺寸50-80nm），这种细小第二相均匀分布在基体中，可提高材料屈服强度5-8%。水淬处理产生的非平衡冷却效应，在表面区域形成厚度为50-80μm的梯度组织：近表面区保留高密度位错的α'马氏体（位错密度达101?/cm2），过渡区形成αs/β双相层状结构，芯部区域则发展出亚微米级等轴晶。这种梯度结构使试样在断裂时呈现韧性断裂特征，断口分析显示微孔缩颈特征占比达65%。

力学性能的优化依赖于多尺度组织协同作用。研究建立的热处理工艺窗口显示，在650-750°C区间进行2-4小时退火处理，能有效促进马氏体相变完成，将残余奥氏体含量从28%降至12%以下，同时形成贯穿晶界的α相纤维束（直径2-3μm），这种结构使材料在800MPa强度下仍保持18-20%的延伸率。特别值得注意的是，当退火温度达到820°C时，会触发β相的逆马氏体相变，产生超细（50nm）碳化物析出相，其体积分数达3.2%，这种析出相对位错运动的钉扎作用使材料达到峰值综合性能（UTS 935MPa，延伸率19.5%）。

在生物医学应用方面，研究揭示了Zr-2.5Nb合金在热处理后的性能梯度。对于髋关节植入物，采用750°C退火+空冷工艺制备的试样在压缩载荷下表现出优异的抗疲劳性能（循环次数达10?次后强度保持率82%），其微观组织包含均匀分布的α相纤维束（长度50-80μm）和细小的αs析出相（尺寸20-30nm）。这种多尺度结构使材料在骨界面结合区形成梯度应力分布，有限元分析显示应力集中系数降低40%，可有效避免应力遮挡效应。

研究还发现，冷却速率对残余奥氏体稳定性的影响具有显著温度依赖性。在600-700°C退火时，空冷处理使残余奥氏体含量稳定在15%以下，而炉冷处理可降至8%以下。这种差异源于冷却速率对马氏体相变动力学的调控：快速冷却（水淬）抑制了马氏体分解，而慢速冷却（炉冷）则促进分解。当退火温度超过800°C时，冷却方式的影响被温度因素覆盖，此时β相的再结晶行为主导组织演变。

该研究突破性地建立了LPBF工艺参数与热处理效果的映射关系。通过控制热处理温度在650-750°C区间并配合空冷工艺，可在保持高强度的同时将延伸率提升至20%以上，这一性能指标已超越传统锻造工艺制备的Zr-2.5Nb合金。研究特别指出，在780°C退火后空冷处理，可使合金获得双相强化效果：α相纤维束（长径比8:1）提供主要的屈服强度（580MPa），而αs析出相（体积分数3.8%）则贡献断裂强度（920MPa），这种协同强化机制使材料达到理想的强韧性匹配。

在产业化应用方面，研究提出的三阶段热处理策略具有显著优势。第一阶段（650°C, 2h）消除残余应力并完成马氏体分解；第二阶段（730°C, 3h）调控相比例与晶界结构；第三阶段（650°C回火, 1h）优化残余奥氏体稳定性。这种分步处理工艺可使材料力学性能波动控制在±3%以内，同时将热处理能耗降低40%。实验数据表明，经750°C退火+空冷处理的试样，其断面收缩率（61%）和冲击吸收能（32J/cm2）均达到ASTM F2083标准Ⅱ类植入物的要求。

最后，研究团队通过建立热力学-动力学耦合模型，揭示了不同处理参数下相变激活能的变化规律。在600-800°C区间，相变激活能随温度升高呈指数下降，这解释了为何低温退火（<700°C）能有效提升延展性。当温度超过850°C时，激活能曲线出现转折点，表明此时主导相变机制从马氏体分解转变为β相再结晶。这种理论模型的建立为后续工艺优化提供了重要依据，特别是在复杂几何部件的热处理参数匹配方面展现出应用潜力。

该研究为金属增材制造领域的热处理工艺开发提供了重要参考，其揭示的微观组织演化规律（特别是梯度组织与多尺度析出相的协同作用）已应用于3-5mm直径的股骨柄植入体试制，成功将传统锻造工艺所需的4道热处理工序简化为单阶段处理，同时将植入体表面粗糙度从Ra3.2μm优化至Ra0.8μm，显著提升骨结合速率。后续研究将重点探索不同冷却速率（5-50℃/s）对表面微结构形貌的影响机制，以及该合金在动态载荷（如髋关节孟 Condyle区域承受的10-15Hz交变应力）下的长期耐久性表现。