在增材制造的Ti-6Al-4V合金中选择调优方案：揭示热处理后的影响

《Journal of Alloys and Compounds》：Tuning variant selection in additively manufactured Ti-6Al-4V: Unveiling impact of post-heat treatments

本研究探究电子束粉末床融合（EB-PBF）制备的Ti-6Al-4V合金经亚临界（900℃）与超临界（1050℃）热处理后α相变选机制及影响因素。发现亚临界处理仅微调β晶粒尺寸，未显著改变相变选；而超临界处理通过不同冷却速率（水淬/炉冷）调控相变路径，水淬形成大量α相及I类集群，炉冷则形成 colonies 结构，β晶界与自适应机制主导变体选择。

　　

白春燕|涂健|罗涵|冯玉婷|舒宇|杜彦斌|梁彦祥

重庆工业大学材料科学与工程学院，中国重庆400054

摘要

后热处理对于调节增材制造的Ti-6Al-4V合金的微观结构和性能至关重要，同时不会改变其形状。了解Ti-6Al-4V合金在后热处理后α变体的选择对于研究微观结构演变至关重要。本研究探讨了亚共晶温度（900°C）和过共晶温度（1050°C）后热处理对通过电子束粉末床熔融（EB-PBF）制造的Ti-6Al-4V合金中α变体选择的影响。亚共晶温度处理导致的微观结构变化很小，表现为具有α晶界（α_GB）的柱状β晶粒和转变后的α+β结构。亚共晶温度处理对β晶粒的细化并未显著增强变体选择。变体选择主要由I类和II类簇的自适应机制以及β晶界效应决定。相比之下，过共晶温度处理显著改变了微观结构：快速冷却（水淬，WQ）会产生马氏体α'和大量α相，而由自适应机制驱动的I类簇的形成和大量α相形成的簇则增强了变体选择。相反，缓慢冷却（炉冷，FC）会产生具有有限变体多样性的簇状结构，这种结构受β晶界的影响。这些发现为优化后热处理参数以控制增材制造的Ti-6Al-4V合金的微观结构提供了重要见解。

引言

Ti-6Al-4V因其高强度、高损伤容忍度、优异的耐腐蚀性和生物相容性而广受认可，使其成为航空航天和生物医学应用中的首选材料[1]、[2]、[3]、[4]。增材制造（AM），特别是通过电子束粉末床熔融（EB-PBF）生产Ti-6Al-4V的优势已有充分记录[5]。该工艺能够制造出具有定制机械性能的复杂几何形状，相比传统制造技术具有显著优势。

增材制造的钛合金可以产生与构建方向平行的柱状β晶粒，随后通过Burgers取向关系（BORs，{110}β//{0002}α，<111>β//<11$\stackrel{?}{2}$0>α）形成α相[6]、[7]、[8]。BORs定义了相对于原始β晶粒取向可以形成的十二种α变体。当这十二种变体以相等概率出现时，会产生弱α纹理[9]，表明没有变体选择。然而，它们的出现往往是非随机的，表现为不同变体之间的晶界分布差异和变体簇的形成——这种现象称为变体选择[10]、[11]。在此相变过程中形成的具体变体对最终的微观结构和机械性能有显著影响。Alves da Silva等人[12]研究了增材制造钛合金的变体选择机制，并阐明了其在压缩裂纹行为中的作用。具体来说，他们报告称α″马氏体可以通过孪晶和转变为α′相来适应塑性应变。在相关研究中，Jia等人[13]证明，预先存在的纳米孪晶变体可以通过细化α″晶粒、阻碍位错运动和抑制应力诱导的孪晶来显著提高材料强度。因此，理解和控制变体选择对于定制增材制造Ti-6Al-4V的微观结构和性能至关重要。

钛合金中变体选择的程度和性质受多种因素影响，包括纹理、晶粒大小和形态、取向、残余应力和位错密度[14]、[15]、[16]、[17]、[18]。这些因素调节了变体选择的主要机制，从而诱导了特征性变体的形成。当前研究表明，Ti-6Al-4V合金中的变体选择由几种可能的机制驱动：由β/β晶界能量最小化驱动的β晶界效应[19]、由相变应变最小化驱动的自适应机制[9]，以及由亚稳态α相诱导的特定变体的优先形核[20]。然而，除了上述因素外，热参数在钛合金的α变体选择中也起着关键作用，包括扫描策略[21]、冷却速率[22]和热处理温度[23]。Stephenson等人[21]通过修改扫描策略来调节热参数，研究了变体选择的差异。结果表明，线性扫描的变体选择更受自适应机制支配，而随机填充策略的变体选择主要受原始β晶界效应的影响。Ma等人[24]研究了激光固态沉积（LSFed）Ti-6Al-4V合金中沉积方向对变体选择的影响。结果表明，冷却速率对LSFed Ti-6Al-4V样品中的变体选择有显著影响。然而，关于增材制造过程中的变体选择，尤其是后处理过程中的变体选择的研究较少。

增材制造的样品通常需要后热处理来优化其性能，因为快速冷却速率和非平衡条件可能导致微观结构不均匀和显著的残余应力[25]、[26]。后处理可以细化微观结构，缓解残余应力，促进有益的相变，并提高整体机械性能[27]。尽管这些处理很重要，但关于后处理条件（特别是冷却速率和热处理温度）如何影响增材制造Ti-6Al-4V的α相变体选择的研究还很少。本研究旨在通过探讨后热处理对增材制造Ti-6Al-4V的α相变体选择的影响来完善这一领域。理解这些效应对于优化AM生产的Ti-6Al-4V组件的机械性能和可靠性至关重要。

在本研究中，我们对通过EB-PBF制造的Ti-6Al-4V合金样品进行了亚共晶温度（900℃水淬，WQ，和900℃炉冷，FC）和过共晶温度（1050℃水淬，WQ，和1050℃炉冷，FC）处理，以系统研究这些热处理对最终微观结构的影响，特别是对变体选择的影响。结合电子背散射衍射（EBSD）分析，我们旨在阐明后处理参数引起的变体变化及其背后的机制。

实验程序

本研究中使用的EB-PBF构建材料是由球形Ti-6Al-4V气体雾化粉末制成的，其尺寸分布不均匀（图1a）。Ti-6Al-4V预合金粉末的平均粒度和中位粒径（d₅₀）分别为22.51 μm和21.37 μm。尺寸分布范围从d₁₀=9.68 μm到d₉₀=37.14 μm（图1b）。Ti-6Al-4V预合金粉末具有均匀的元素分布（图1c），相应的化学成分列在图1(d)中。

微观结构演变

图2显示了打印样品的TEM图像。图2(a)中的明场TEM（BF-TEM）显微图显示了打印样品的微观结构，由β（BCC）和α（HCP）层状结构组成，α相的平均宽度约为0.39±0.14μm，而不连续的保留β相的平均宽度约为0.06±0.01μm（图2b）。总体而言，α和β相内的位错密度较低，只有少量的位错（用白色箭头标记）

后处理与微观结构的相关性

通过EB-PBF制造的Ti-6Al-4V合金的微观结构由层状α和β相组成，呈现出簇状和篮状编织形态。由于沿构建方向（BD）存在温度梯度，β相倾向于以柱状晶粒的形式生长。先前的研究表明，<001>方向是立方晶体的有利生长方向，大约与

结论

本研究系统研究了后热处理对增材制造Ti-6Al-4V中α变体选择的影响，得出了以下关键发现：

(1)

后处理可以改变Ti-6Al-4V合金的微观结构。打印后的微观结构特征是具有α晶界（α_GB）的柱状β晶粒和转变后的α+β结构，呈现出簇状和篮状编织形态。亚共晶温度处理引起的微观结构变化很小，主要

CRediT作者贡献声明

白春燕：撰写——原始草稿，研究。涂健：撰写——审阅与编辑，资金获取。罗涵：研究。冯玉婷：研究。舒宇：研究。杜彦斌：研究。梁彦祥：研究。

利益冲突声明

我们希望提交题为“调节增材制造Ti-6Al-4V中的变体选择：揭示后热处理的影响”的手稿，希望其在《合金与化合物杂志上发表。作者声明与任何个人/组织没有利益冲突，所有作者均同意该手稿的发表。

所有作者声明：（i）没有收到任何形式的财务或其他支持

致谢

本工作得到了重庆市自然科学基金（编号CSTB2023NSCQ-LZX0030）和重庆市研究项目（编号CYS240696）的支持，我们衷心感谢刘英瑞博士慷慨提供Ti-6Al-4V合金样品。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。