激光天地導讀：SLM技術製造的產品同傳統工藝（鍛造件）相比，往往強度較高但卻韌性不足 。對SLM打印Ti6Al4V合金（簡稱Ti64）來說，其組織和性能還具有各向異性的特點。鈦合金增材製造時經常會由於外延生長的特點而形成粗大的柱狀晶組織，這是造成SLM打印的鈦合金組織和性能具有各向異性的原因。為了改善SLM製造的Ti64合金的韌性，往往採用熱處理的的辦法該改變其顯微組織，從而提高其塑性。 來自諾丁漢大學的研究團隊提出一種快速熱處理（RHT）的辦法，將SLM製造的Ti64合金在β相轉變溫度以上進行熱處理，客戶已使得SLM製造的Ti64鈦合金的韌性提高到16%以上，而強度依然滿足使用要求。該論文被諾丁漢大學的研究團隊以題為“Refinement of the grain structure of additive manufactured titanium alloys via epitaxial recrystallization enabled by rapidheat treatment”的研究論文發表在近期的《Scripta Materialia》上。
論文graphy abstract
由於鈦合金Ti64具有強度高、耐腐蝕和生物相容性好等優點，使得該合金在不同的場合得到應用。製造Ti64合金採用採用增材製造SLM中的LPBF技術是一種非常有競爭力的製造技術，這是因為該技術可以製造近淨成形的複雜形狀的部件，而且材料利用率很高。同變形Ti合金相比，採用LPBF技術製造的鈦合金強度高且具有各向異性的特點，但韌性略顯不足。這是因為Ti64合金中存在典型的馬氏體α’傘狀組織在粗大的柱狀初生β相上存在，其長度可以達到幾百微米，有時候甚至會達到幾毫米的程度。
早期的研究指出，LPBF製造的Ti6Al4V合金中的馬氏體α’可以在低於β相轉變溫度的熱處理條件下分解成α+β相。分解得到的組織同增材製造合金（沉積態）相比，可以實現強度和韌性之間的平衡。然而，在低於β相相變的溫度下進行熱處理並不能改變初生β相的生長方向，由此對打印後的鈦合金的各向異性、斷裂韌性並不能產生影響，由此限制了打印後的Ti64合金的應用。熱處理溫度高於β相轉變溫度的顯微組織演變表明，是有可能獲得粗大的等軸β相的。然而，在此種熱處理條件下產生大量的β相，從而導致合金的強度和韌性同時下降。
本文的研究目的就是探討LPBF中得到的初始組織時如何通過快速熱處理轉變成細小的β相的。熱處理過程中的再結晶時晶粒細化的原因，同時對快速熱處理後得到的組織和性能也進行了研究。
實驗採用LPBF技術製造出直徑為9mm，長度為60mm的圓柱形試樣，垂直於水平面方向進行製備。快速熱處理之前，採用模擬熱差分實驗確定出β相的轉變溫度大約為950℃。實驗確保得到完全的β相退火組織，熱處理溫度設為1030℃，拉伸實驗依據ASTME8/E8M-16a，在室溫20℃下進行實驗。EBSD實驗在加熱到980℃下進行觀察。圖1為觀察得到的EBSD圖。圖1a是在沉積態的典型組織。主要是馬氏體α’板條在粗大的柱狀晶β相上生成，這是較為常見的組織。通過快速熱處理之後，其組織轉變成傳統的α+β層狀結構。且伴隨著增加的α島相（圖1b）。最為重要的是觀察到β相的晶粒細化，這是在增材製造鈦合金的熱處理中所沒有發現的。這一論斷通過圖1c、d的方位圖得到了證實。其初生的
β相在快速熱處理後得到了顯著的細化。計算得到的β相晶界角在熱處理前後的比較表明：晶界角是顯著增加的，如圖1e、f。這表明在快速熱處理過程中β相的再結晶的確在開始的粗大柱狀晶β相上生成。
為了瞭解觀察到的早期晶粒細化機制，採用高溫EBSD進行觀察。該技術可以直接在高溫下在次微米層面測量晶粒結構的方向。圖2a和b分別為850℃時得到的
α和β相的方位圖。圖3a是重構後的β方位圖。圖3b和c是測量得到的β相的方位圖，是在850℃和925℃溫度下於同一位置測量得到的結果。
為了研究在快速熱處理過程中可能的組織變化，沉積態的β相的極圖同在一定溫度範圍內的測量結果進行了對比（見圖4）。在不高於
β相的溫度條件下，會發生晶粒的異常長大，從而不能採用EBSD進行直接觀察。主要的組織時β相。應力-應變曲線結果表明沉積態的拉伸強度為1241.6±4.7MPa，但韌性非常有限，僅5.2±0.2%。這一韌性值不能滿足工程應用的需求。經過快速熱處理之後，其韌性增長到16.6±0.7%，其拉伸強度和屈服強度分別在可接受的範圍內，分別為934.5±11.3MPa和853.8±10.7MPa。
本文的研究結果可以為AM製造的產品通過快速熱處理獲得等軸組織提供了一種可能。該方法同樣適用於其他合金的快速熱處理，如對鋼和Ni合金進行處理等，同樣適用。
文獻來源：
Refinement of the grain structure of additive manufactured titanium alloys via epitaxial recrystallization enabled by rapid heat treatment, ZhiyiZou,MarcoSimonelli,JulianoKatrib,Georgios Dimitrakis, RichardHague,https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2020.01.027,Scripta Materialia，Volume 180, 15 April 2020, Pages 66-70
