西工大团队激光定向能量沉积钛合金的晶粒粗化

　　增材制造（AM）钛合金中的晶粒的热影响粗化，对于获得类似锻件的细晶粒非常重要，但是在以往的研究中却被完全忽视了。
　　由西北工业大学黄卫东、林鑫教授团队发表的Heataffectedcoarseningofgrainintitaniumalloyduringlaserdirectedenergydeposition〔1〕一文，报告了激光定向能量沉积期间的瞬间高温（高于相变点T）的热循环可以使Ti6Al4V的等轴晶粒发生显著的粗化。在初始晶粒较小、激光能量密度较大和预热温度较高的情况下，晶粒粗化更加严重。同时，提出了一个用于预测增材制造（AM）钛合金粗化的晶粒大小的修正模型。
　　这些研究结果不仅提供了对增材制造钛合金的晶粒的更全面的认识，而且对具有细小等轴晶粒的AM钛合金的成分设计有重要指导意义。
　　增材制造（AM）技术已被用于制造具有复杂几何形状的近乎全致密的钛合金零件，这些零件具有与锻件相当的静载性能。然而，在AM钛合金中沿沉积方向外延生长的粗大的柱状初生晶粒会导致显著的机械性能各向异性和较差的动载性能，如低周疲劳性能。这些缺点显著地限制了AM钛合金的广泛应用。因此，在AM钛合金中非常渴望获得几十微米的类似锻件的细等轴晶粒。
　　考虑到热处理在细化改变初生晶粒方面的局限性，关于实现细等轴晶粒的研究主要集中在沉积态的AM钛合金上。一般来讲，沉积态的AM钛合金的最终晶粒组织取决于熔池凝固期间中的晶粒生长和反复热循环导致的热影响区（HAZ）中的晶粒粗化。一方面，到目前为止，研究者已经在通过控制凝固过程来改变晶粒方面做出了许多努力。详细的方法包括：（i）通过添加具有较大生长限制因子的合金元素来增加成分过冷度，（ii）增加形核位点，如采用较大的送粉量或强烈的高强度超声波，以及（iii）通过改变工艺参数来改善熔池的特性。另一方面，以前所有关于AM钛合金HAZ的研究主要集中在相的粗化（层带：粗大的魏氏集束）和随工艺参数变化的HAZ，然而，在动力学上与相的粗化完全不同的AM钛合金HAZ中的晶粒的粗化被完全忽视了。
　　实际上，众所周知，在传统工艺（铸造、焊接和锻造）中，在T以上，钛合金中的晶粒会发生明显的粗化。然而，与传统工艺相比，AM期间的多个T以上的瞬时高温热循环的时间非常短，例如，在激光定向能量沉积（DED）过程中，每个热循环的时间1s。因此，在AM钛合金中是否会发生晶粒的热影响粗化仍然是未知的。
　　在这项工作中，西工大黄卫东、林鑫教授团队特意设计了初始等轴晶粒尺寸（D0）约为80m的Ti6Al4V基材。在25和预热800的情况下，研究了作为DED期间能量密度（El）的函数的Ti6Al4V粗化的晶粒尺寸（D）、晶粒粗化程度（mDD0）和晶粒粗化厚度（h）。此外，根据有限元（FE）模拟的温度数据，采用了一个修正模型来预测晶粒的粗化。
　　图1显示了El为217Jmm的25和800基体的DED试样的显微组织。该组织由四个区域组成：原始基材、微HAZ（以粗化的相为特征）、HAZ（以明显粗化的晶粒为特征）和沉积层。基材呈现等轴的晶粒（彩色）和均匀分布的少量残留初生相（白色）。25和800基材的平均D0分别为70m和56m，相应地，HAZ中的平均D分别为211m和289m；代表粗化的晶粒厚度的HAZ高度h分别为597m和1942m。
　　图1。基材经过El217Jmm的DED之后的OM和重构的EBSD图：（a）25基材；（b）预热的800基材。
　　基于实验测量，图2给出了不同工艺条件下的D0、D、m和h。所有基材的D0均为5691微米。800基材的D、m和h的值均比25基材的大，并且在相同的基材温度下，D、m和h的值都随着El的增加而增加。具体来说，当El等于425Jmm时，在25和800基材的两种情况下，D分别达到374m和546m，约为D0的4倍和9倍，相应的h也分别达到1160m和4162m。
　　图2在25和预热的800基材的情况下，不同El的晶粒的粗化。（a）通过实验和模拟得到的D0和D，（b）晶粒粗化程度m和晶粒粗化厚度h。
　　根据以前的研究，在DED钛合金中，沉积层厚度（相邻两条熔合线之间的距离）约为单层高度的40。在本研究中，对于25和800基材，单层高度分别约为6371640m和7872738m。因此，相应的理论层厚分别为255656m和3151095m。显然，h（25：3441160m和800：6464162m）要比层厚大很多。因此，在DED的多层沉积期间，晶粒的大小可能会受到后续几个沉积层的影响，因此，从这个单层沉积实验中得到的m被低估了。此外，基材中残留的初生相的存在可能会延缓HAZ中晶粒的粗化。
　　图3。在不同工艺条件下，某一点（熔合线中间正下方150微米）高于T的温度，相应的加热和冷却速率。（a）25基材；（b）预热的800基材；（c）温度高于T时的峰值温度Tp和时间t。
　　图4。在不同的El和D0条件下，FE模拟得到HAZ中的m（彩色）和晶粒尺寸D（深灰色线）的等值线图：（a）25基材；（b）预热的800基材。
　　总之，激光定向能量沉积期间的瞬间高温（高于T）可以使Ti6Al4V的等轴晶粒发生显著的粗化。值得注意的是，在初始晶粒较小、激光能量密度较大和预热温度较高的情况下，晶粒粗化更加严重。因此，为了在AM钛合金中获得细小的等轴晶粒，必须充分注意避免晶粒的热影响粗化，特别是对于包含大量热量累积的大型零件的高效率沉积。
　　尽管可以通过降低El和基材温度来抑制晶粒粗化，但值得注意的是，对优化参数的任何改变都可能导致缺陷（如孔隙率或熔合不良），并将牺牲沉积效率。此外，当热处理期间的温度高于T时也可能发生晶粒粗化。然而，从AM钛合金成分设计的角度来看，可以通过增加微量硼来提高晶粒生长激活能Q，以及通过引入RE2O3等稳定的细颗粒来阻碍晶界迁移，从而减小晶粒粗化。这些研究结果不仅提供了对AM钛合金的晶粒的更全面的认识，而且对具有细小等轴晶粒的AM钛合金的成分设计有重要指导意义。
　　〔1〕该论文发表在国际著名期刊Scriptamaterialia上。论文链接：https：www。sciencedirect。comsciencearticlepiiS1359646221004607
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