三步热处理诱导SLM制备Ti-6Al-4V合金中α/β相球化

《Progress in Natural Science: Materials International》：Three-step heat treatment induced spheroidization of α/β phases in SLM-processed Ti-6Al-4V alloy

　　• 一种新颖的三步热处理工艺实现了 SLM Ti-6Al-4V 的 α/β 同步球化和各向异性消除。• 合金延伸率提高 56%–107%，同时保持高强度，实现了优异的强塑性协同。• 系统地阐明了热处理合金织构演化和塑性改善的核心机制。• 建立了 SLM Ti-6Al-4V 微观结构、织构与力学性能之间的关联。**引言**钛合金具有多种优势，包括高比强度、极高的硬度、优异的耐热性和出色的耐腐蚀性 [1,2]。这些性能使其广泛应用于航空航天领域，如发动机叶片 [3]、涡轮叶片 [4] 和燃气涡轮盘 [5]。在钛合金中，Ti-6Al-4V 由于其强度和韧性的最佳平衡，在航空系统中应用最广泛 [6]。随着航空航天技术的不断进步，对高性能轻质结构合金的需求持续攀升。因此，开发具有增强强韧性协同作用的 Ti-6Al-4V 合金仍然是关键的研究重点。增材制造（AM）实现了复杂钛合金部件的一体化制造，为钛合金成形性差和传统减材方法局限性带来的挑战提供了有效解决方案 [[7], [8], [9], [10]]。在 AM 技术中，选择性激光熔化（SLM）代表了最有前景的方法之一 [[11], [12], [13]]。以前的研究表明，SLM 生产的 Ti-6Al-4V 合金形成明显的柱状晶和大量的亚稳 α′-马氏体 [14]。虽然这种独特的微观结构赋予其高强度和硬度，但同时也降低了延展性 [15] 并引起显著的材料各向异性 [16]。热处理可有效优化微观结构并消除各向异性。因此，大多数研究集中在通过控制热处理参数来增强 Ti-6Al-4V 的力学性能上 [17]。Ettefagh 等人 [18] 观察到，在 600 °C 下进行 2 小时的热处理对激光粉末床熔融 Ti-6Al-4V 的微观结构影响很小，α′-马氏体仍占主导地位。然而，在 800 °C 下退火促进了亚稳相向稳定相的转变。Vrancken 等人 [19] 证明，将 SLM 制造的 Ti-6Al-4V 在 850 °C 下保温 2 小时随后炉冷，可将材料延伸率从 7.36% 增加到 12.84%。最近的研究表明，在 Ti-6Al-4V 中产生双峰微观结构的循环热处理具有优越的力学性能 [20]。这种微观结构——通过略低于 β 相转变温度的反复热循环，无需塑性变形即可形成球状 α 相——虽然提出了一种新的 α 相球化机制，但亚转相热处理保留了原始柱状 β 晶粒，维持了高各向异性 [21]。相反，超转相处理促进块状结构，拉伸过程中裂纹容易在相界处形核，引起扩展 [22,23]。因此，目前大多数热处理策略在 β 相转变温度以下进行，但未能消除粗大 β 柱状晶。为了解决这些局限性，本研究提出了一种新颖的三步退火策略：第一步退火在 β 相转变温度以上进行，以消除粗大 β 晶粒。第二步退火在略低于 β 相转变温度下进行，以球化片层 α 相。第三步退火采用短时高温处理，以消除异常粗化的 α 相。这种方法实现了独特的微观结构，即在等轴 β 基体中包含双峰 α 相（球状和片层）。本研究旨在通过一种新颖的三阶段热处理方案，在 SLM 制造的 Ti-6Al-4V 合金中建立双峰 α 相微观结构，以提高力学性能。我们系统地研究了该热处理工艺对微观结构演变和力学性能的影响，以阐明热处理优化 SLM Ti-6Al-4V 特性的机制。这项工作推进了对增材制造钛合金热处理设计的基本理解。**章节摘要****材料与方法**本研究使用的材料是 Ti-6Al-4V 钛合金，采用 SLM 技术制备。由 AVIMETAL 供应的钛合金粉末由均匀的球形颗粒组成，粒度分布为 D10 ≥ 18 μm，D50 ～ 30-40 μm，D90 ≤ 60 μm。粉末的化学成分如表 1 所示。SLM 过程使用共享设备有限公司的商业 BLT-S320 系统进行，其最大激光输出功率为 500 W/1000 W 和一个最大...**SLM Ti-6Al-4V 原始态和热处理态的微观结构**图 1 显示了不同的微观结构取向：BD 面呈现胞状结构，而 TD 和 SD 面显示柱状晶体，其宽度与胞状尺寸（110-120 μm）非常接近。这些尺寸波动是由反冲压力和马兰戈尼效应引起的熔池不稳定性引起的 [24]。由于层重熔动力学，柱状 β 晶粒沿构建方向外延生长。在新层沉积期间，激光同时熔化新鲜...**球化机制**SLM 制造的 Ti-6Al-4V 合金在加工过程中经历快速冷却，促进形成具有高位错密度的亚稳 α′相 [15]。这种微观结构为开发三步热处理调节的双峰结构奠定了基础。在退火期间，晶内位错激活并重新排列形成亚晶界。三相结点出现在亚晶界/α/β 相界面，削弱了 α 相边界。长时间退火允许...**结论**本文提供了一种新的热处理工艺，以提高 SLM Ti-6Al-4V 钛合金的综合力学性能，系统地研究了不同热处理条件下 SLM 试样的力学行为和微观结构演变，主要结论如下。(1) 含有高位错密度和亚稳 α′-马氏体的 SLM 制造的 Ti-6Al-4V 合金，塑性有限（6.84 ± 2.5%）。通过三步...**CRediT 作者贡献声明****相伟明：** 写作–审阅与编辑，写作–原稿，调查，数据管理。**王浩奇：** 写作–原稿，数据管理。**吴金超：** 可视化，验证，监督，正式分析。**贾雪玲：** 写作–原稿。**高梦：** 写作–原稿，软件，方法论。**张长江：** 写作–审阅与编辑，写作–原稿，可视化，资源，项目管理，方法论，资金获取，正式分析，数据...**利益冲突声明**我们声明，我们没有与其他人或组织存在可能不当影响我们工作的财务和个人关系，在任何产品、服务和/或公司中没有任何专业或其他个人利益，这些利益可被解释为影响题为"Three-step heat treatment induced spheroidization of α/β phases in SLM-processed Ti-6Al-4V alloy"的手稿中提出或审查的立场。**致谢**本研究由国家自然科学基金委员会（编号：52171122，52371117），山西省高校创新型人才计划（2024Q005）资助。相伟明|王浩奇|吴金超|贾雪玲|高梦|张长江|王彬|霍俊涛|王俊强