在激光热循环诱导的马氏体分解过程中，利用双辅助快速α相球化技术对L-PBF制造的Ti–6Al–4V合金进行细化处理，以提高其延展性

《Journal of Alloys and Compounds》：Twin-assisted rapid α-phase globularization in L-PBF-fabricated Ti–6Al–4 V during laser thermal cycling-induced martensitic decomposition for improving ductility

　　

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  使用灵活的激光扫描技术来定制L-PBF钛合金的微观结构。
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  成功阐明了马氏体孪晶在快速α相球化中的作用。
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  位错介导的亚晶界促进了β相向α′/α织构的渗透。
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  位错终止迁移和连续粗化促进了α相的球化。
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  阐明了球化样品的延展性和断裂行为。

引言

激光粉末床熔融（L-PBF）是一种逐层增材制造技术，已被广泛用于制造致密和复杂的钛合金部件[1]、[2]、[3]、[4]。L-PBF制造的Ti–6Al–4V合金的微观结构通常由柱状β相晶粒组成，这些晶粒内部充满富含孪晶的细小α′马氏体[5]、[6]。这种亚稳态微观结构赋予了合金极高的强度，但延展性较差[7]，因此需要对L-PBF制造的钛合金进行后热处理以调整其机械性能[8]、[9]。当热处理温度超过β相转变温度且随后的冷却速度足够慢时，形成的马氏体微观结构会转变为层状结构[10]、[11]。然而，层状结构具有有限的延展性和明显的各向异性，这限制了其实际工程应用。相比之下，球状微观结构更有利于实现优异的强度-延展性平衡[12]。

对于L-PBF制造的Ti–6Al–4V部件，通常通过在α + β双相区域进行等温热处理来获得球状微观结构。这种微观结构转变主要由静态球化机制驱动，需要长时间的等温保持才能完成[13]、[14]。最近，循环热处理作为一种有效的策略被提出，用于诱导钛合金的球化[15]。通过让合金在α + β双相区域经历循环加热和冷却，层状α相可以快速转化为球状形态[16]。在热循环过程中，可逆的α?β相变被广泛认为是推动球化的核心机制[16]。据提出，在循环α?β相变过程中，α和β相之间的晶格失配会在α/β界面产生内在的位错，以适应位错间的间距失配。在反复的热循环中，冷却时会产生额外的位错，并在加热时保持在较高温度下，从而为球化提供持续的驱动力[17]。此外，循环热处理显著加速了球化动力学，将层状α相转变为球状微观结构所需的总时间从几小时缩短到几十分钟。

值得注意的是，有研究表明，对于初始为α′马氏体微观结构的样品，在热循环过程中，α相球化所需的时间也可以缩短到几十分钟[17]、[18]。最关键的是，无论初始微观结构是完全马氏体（α′）还是层状α，通过循环热处理形成的球状α相的形状比几乎相同[17]。这一观察表明，α相球化并不一定严格在马氏体分解完成后进行；相反，这两个过程是耦合发生的。伴随马氏体分解的微观结构演变调节了相界面演变和α相形态，从而促进了向球状结构的过渡。然而，关于L-PBF钛合金中马氏体分解与α相球化之间的耦合机制的系统研究仍然很少，而且在热循环条件下控制这种耦合行为的具体机制尚未完全阐明。

由于L-PBF制造的钛合金中复杂的热动力学和热机械条件，α′马氏体晶粒内部存在大量的孪晶[19]。先前的研究表明，马氏体晶粒中的孪晶界（TBs）可以调节马氏体分解过程中的β相沉淀行为[20]。具体来说，β相不仅在α′马氏体晶粒边界和晶内位错处沉淀，而且在这一分解过程中更倾向于在孪晶界处沉淀[20]、[21]。虽然已经证明孪晶界可以调节马氏体分解过程中的β相沉淀，但这种由孪晶介导的异质β相沉淀如何控制随后的α相球化仍然很大程度上未被探索。特别是，孪晶在热循环过程中通过局部β相沉淀促进晶粒碎化的作用仍然了解不足。

根据现有文献，在增材制造的钛合金中，关于热循环诱导的马氏体分解期间α相球化的关键知识空白仍然存在。为了填补这一空白，本研究系统地调查了通过激光热处理实现快速α相球化的机制。开发了一种高度灵活的激光扫描系统，用于处理完全马氏体（α′）L-PBF制造的Ti–6Al–4V样品，能够捕捉α相球化各个阶段的独特微观特征。通过对α相形态、晶界、位错和孪晶的演变进行系统表征，阐明了控制α相球化的内在机制，特别强调了孪晶在这种转变中的关键且以前未报道的作用。具体来说，在热循环过程中，初始的α′马氏体会迅速分解，β相优先在孪晶界处析出并生长。β相沿孪晶界的生长将细长的α′/α织构分解成许多短片段，从而显著降低了它们的形状比。同时，热循环激活了位错诱导的晶界分裂、位错终止迁移和连续粗化机制，这些机制协同作用将碎化的晶粒转化为球状微观结构。从宏观上看，这种结构演变导致了延展性的提高，伸长率达到了13.61%——相比原始状态有显著改善。此外，当将相同的加工参数应用于L-PBF制造的Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Zr（TA15）合金时，α相也通过相同的演变路径和机制实现了快速球化。这些发现提供了关于L-PBF制造的钛合金在热循环诱导的马氏体分解过程中α相球化的动力学和机制的基本见解，为增材制造的钛组件的微观结构定制提供了关键指导。

章节片段

材料与方法

完全马氏体的Ti–6Al–4V样品是通过L-PBF工艺制备的，用作快速激光扫描处理的起始材料。原料粉末的化学成分见表1。样品使用商用L-PBF设备（BLT-S510）进行制造，相应的加工参数列在表2中[18]。样品被切割成40毫米×10毫米×4毫米的尺寸，并在激光扫描热处理前进行机械抛光。

A

数值模拟

如“材料与方法”部分所述，在激光扫描之前进行了FEM模拟，使用我们之前工作中开发的经过验证的模型[18]来预测不同激光扫描热处理参数下的温度场。图2展示了在HS和LS条件下，激光处理表面下方0、1、2、3和4毫米深度处的FEM预测的热历史曲线。提取位置在图2(c)中示出。对于这两种条件，

孪晶在α相球化中的作用

定量EBSD分析显示，来自原始状态、HS和LS条件的代表性区域的孪晶分数分别为34.34%、28.60%和17.40%。这些值相对于原始状态，HS条件减少了16.7%，LS条件减少了49.3%。球化程度更高的LS区域显示出最低的孪晶分数，这表明孪晶数量的变化与观察到的α相形态有关。

结论

在这项研究中，开发了一种可控的激光扫描系统来定制L-PBF制造的Ti–6Al–4V和TA15合金的微观结构。系统地研究了热循环诱导的马氏体分解过程中的快速α相球化行为，特别强调了马氏体孪晶界的作用。主要结论总结如下：

• (1)
  完全马氏体的L-PBF Ti–6Al–4V含有高密度的{10$\stackrel{?}{1}$
  1} <10$\stackrel{?}{1}$2>纳米孪晶。在α′

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Shufan Xian：正式分析。Jiaxin Wang：验证。Jiabao Guo：撰写 – 审查与编辑，撰写 – 原始草稿，可视化，验证，正式分析，数据管理，概念化。Xin Lin：监督。Meng Wang：撰写 – 审查与编辑，监督，项目管理，资金获取。Shuai Guo：撰写 – 审查与编辑，监督。Qian Wang：概念化。Yasong Tan：数据管理。

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本工作得到了中国国家重点研发计划（编号2024YFB4609303）和中国国家自然科学基金（编号52275381）的支持。

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