鈦合金具有極高的比強度，使其成為航空航天工業的關鍵材料。其中Ti-6Al-4V（TC4）是使用最廣泛的合金。增材製造（AM）是製造結構材料的一種流行的加工技術，在鈦合金上也得到應用。在開發模型以預測增材製造過程中的微觀結構時，瞭解微觀結構的演變至關重要。在常規制造方法下的Ti-6Al-4V相變過程已比較明確，但
增材製造工藝的特點是具有急劇的溫度梯度，快速的冷卻速率和多個熱循環，從而在構造方向上形成了漸變的微觀結構，對於Ti-6Al-4V在增材製造時的相變過程仍有爭議。
美國橡樹嶺國家實驗室和田納西大學聯合研究了連續熱循環下α'馬氏體的分解機理，發現α'馬氏體的分解是通過剪切相變發生的，β相不是擴散產物，不同強度的熱循環將導致O和V元素的分配比例不同。相關論文以題為“On the potential mechanisms of β to α'+β decomposition in two phase titanium alloys during additive manufacturing: a combined transmission Kikuchi diffraction and 3D atom probe study”於2月1日發表在Journal of Materials Science。
論文鏈接：
https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs10853-019-03984-w
作者選用電子束熔化和激光定向能量沉積（DED）兩種增材製造技術進行研究，雖然這兩種技術處理條件不同，但會產生相似的微觀結構，兩種技術的不同在於電子束熔化需要將樣品預熱至600℃，DED沒有預熱。兩種試樣的顯微組織均是籃式組織（α+β）。通過透射菊池衍射和3D原子探針兩種手段對相變過程進行分析。原子探針分析發現β相中V含量較高，α相中富含Al而少V，大量的氧優先偏析到α-Ti以及β相中。
圖1 兩種技術製造的樣品微觀結構和APT樣品
圖2 DED樣品的3D原子圖
圖3 DED樣品中α/β界面和α/β等值面的接近度直方圖
圖4 電子束熔化樣品的3D原子圖
圖5 電子束熔化樣品中α/β界面和α/β等值面的接近度直方圖
研究發現在增材製造過程中，第一層凝固過程為L→β→α'+部分β，固相β→α'轉變涉及大量能量和形狀變化。為了達到應變能最小化，將通過轉變體的自適應或轉變體的自催化成核來進行轉變。β→α'轉變始終遵循Burgers取向關係。在加熱速率加快而進行的再加熱過程中，相變產物極有可能不會完全轉變為β相，所以α'馬氏體相變的晶體學得以保留。在熱循環誘導的擴散過程中可能會發生分區，且冷卻速率會降低。
在沉積第一層中，微觀結構基本上為α'+部分β。在後續層的沉積過程中，β相的份額會通過V原子在α'/β界面上的分配而緩慢增加，從而導致界面的增長。通過THERMOCALC和DICTRA計算後得知，溫度範圍為870–900K內，溫度越低，β相中的V含量越高，這表明轉化發生在較低的溫度下，導致β相中的V增加。隨著熱循環的增加O更多的分配到β相中。
圖6 DICTRA模擬α'+β在600℃回火不同時間的元素變化
圖7 Thermocalc模擬α和β相中合金元素濃度隨溫度的變化
綜上所述，作者研究了在連續熱循環下α'馬氏體的分解機理，α/β相變是通過剪切相變而發生的；氧的分配比隨熱循環強度的增加而增加；電子束熔化的樣品中，V的分配比例明顯更高。
本項研究為後續建立增材製造相關模型提供了理論基礎。（文：破風）閱讀更多 材料material 的文章
