《JMST》：增材制造双相钛合金的变体选择行为研究！

钛合金相变的变体选择是近年来钛合金领域的研究热点，但同时又是难点之一。由于β相和α相发现转变时存在伯格斯位向关系（Burgers orientation relationship），单一β相可以转化为12种不同的α变体。尽管之前已有大量针对钛合金变体选择的研究，但对钛合金增材制造的变体选择行为还缺乏理解，根本原因可归因于β→α变体选择的晶体学复杂性。

近日，澳大利亚皇家墨尔本理工大学S.L. Lu等人对增材制造的双相钛合金的变体选择展开了研究，研究结果表明在增材制造双相钛合金中的柱状β晶粒和等轴β晶粒内部展现出完全不同的变体选择行为，因此对合金的力学性能和变形行为具有显著影响，相关机理在文中进行了详细分析。相关论文以题为“Variant selection in additively manufactured alpha-beta titanium alloys”发表于Journal of Materials Science & Technology。

论文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1005030221010537

双相钛合金(α+β)由于其强度高、耐热性好、综合力学性能好，在增材制造领域中占有很大的比重。对于传统的双相钛合金Ti-6Al-4V和Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo，增材制造后的样品通常展现出明显的β柱状组织。由于成型过程中利于生产的热梯度的影响，这种β柱状晶粒通常具有<001>方向平行于构建方向BD的织构，并在随后相变过程中会导致α相的<0001>方向与水平面成0°或45°左右，最终对合金的力学性能和变形行为产生显著影响。由于β相向α相转变过程存在伯格斯位向关系，单一β相可以随机转化为12种不同的α变体。显然，增材制造过程中，α变体的产生并不是随机的，即发生了明显的变体选择。

本文通过调节激光金属粉末沉积（laser metal powder deposition, LMD）工艺参数分别合成了具有柱状β晶粒和等轴β晶粒的Ti-6Al-4V、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo和Ti-4Al-2V双相钛合金，其微观组织如下图所示。

图1具有柱状和等轴β晶粒的双相钛合金

如图2所示，对晶界角度进行分析表明，具有柱状晶粒的双相钛合金内部以63°位向角为主，而具有等轴晶粒的双相钛合金内部则以60°位向角为主。这表明柱状和等轴β晶粒内部不同的变体选择行为的发生。

图2合金内部的晶界角度分布图

如图3所示，通过对β相晶粒进行重构，从而实现了对各类α变体的识别。具体的关于各字母代表的变体的定义已在文中给出，此处不做赘述。总体结果表明等轴β晶粒内部发生了更为明显的变体选择现象。进一步的分析表明，柱状β晶粒内部产生了大量的第二类型团簇（CategoryII clusters），该类团簇由A/E/I、B/D/L、C/G/K、F/H/J类型α变体构成，且变体间α具有60°/[11 -2 0]的界面。而等轴晶粒内部则产生了大量第一类型团簇（CategoryI clusters），该类团簇由A/B/C、D/E/F、G/H/I、J/K/L类型α变体构成，且变体间具有63.26°/[-105 5 -3]界面。

图3柱状β晶粒和等轴β晶粒内部的变体选择行为

通过对柱状β晶粒和等轴β晶粒内部α变体的施密特因子进行分析，等轴β晶粒内部的α变体展现出较低的累积施密特因子分布。尤其是在较高的施密特因子（>0.45）区域，柱状β晶粒的占比明显比等轴晶粒多。这可能是由于柱状β晶粒内部的相变织构导致α的<0001>方向与水平面成45°，从而平行于拉伸过程的最大剪切应力所致。相反，对于等轴β晶粒而言，由于整体较弱的织构，内部不会存在这种微观织构上的缺点，因此等轴β晶粒往往展现出较高的屈服强度。

图4施密特因子分布图

本文对具有不同β晶粒形貌的增材制造双相钛合金的变体选择行为展开了研究。总的来说，具有不同β晶粒形貌的双相钛合金（等轴和柱状）合金内部展现出截然不同的变体选择行为，从而显著影响了两种微观组织的变形行为和力学性能。通过本文中的研究结果，通过设计适当的增材制造工艺过程，从而实现β晶粒形貌和α变体选择的有效调控，将有助于获得力学性能优异的增材制造双相钛合金。（文：苏金龙）

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