香港理工大學：通過增材制造的非均質多梯度TiAl合金的卓越強度和延展性
時間：2024-11-09 09:43 來源：材料學網 作者：admin 閱讀：次
在增材制造過程中，鋁的臨界擴散行為對于形成多梯度結構至關重要，這種結構在變形過程中表現出梯度應變分配效應。梯度應變分配效應有效地阻礙了裂紋的萌生和擴展，這對于提高材料的斷裂韌性至關重要。
香港理工大學陳子斌教授團隊的一項工作代表了非均質合金設計和增材制造技術交叉領域的一個重要進展。通過在增材制造過程中精確控制鋁（Al）的擴散，團隊成功地創建了具有獨特成分梯度和結構梯度的非均質多梯度結構。他們開發的多梯度α-Ti/Ti-10Al結構不僅在提高材料強度的同時保持了良好的延展性，而且還展示了如何通過精確控制微觀結構來優化合金的性能。
α-鈦（α-Ti）主要與α-穩定劑（如O， N和Al）相關。它具有一系列卓越的性能：出色的可焊性，明顯的缺口韌性，優越的比強度和良好的延展性（超過20%），使其特別適用于對延展性要求極高的應用。然而，良好的延展性主要存在于非合金α-Ti或低合金α-Ti中，這類合金的強度仍然相對較低。為了提高其強度以滿足具體實際應用的要求，加入合適含量的α-穩定元素勢在必行。然而，這種強度的提高經常被延性的急劇下降所抵消，這就是強度-延性權衡困境的例證�，F有文獻強調，少量加入氧氣或鋁會導致延展性受損，同時也會增加強度——在引入0.3wt%氧氣或4.0wt%鋁時，延展性下降200%。因此，建立一種經濟的制造模式，在不顯著影響延展性的情況下增強強度，對于推進α-Ti的結構應用仍然至關重要。
最近，異質結構材料作為一種非常有前途的候選材料，通過巧妙地整合適當的微觀結構設計，實現了強度和延展性的卓越結合，這一重大進展使異質結構材料成為人們關注的焦點。因此，這提高了強度和應變硬化能力，同時最大限度地降低了延性。在之前的一項研究中，Li等人通過退火和熱壓技術成功制備了一種異質結構的純鈦（Ti），其特點是粗晶粒和細晶粒交替存在，其強度明顯增強，從292 MPa上升到354mpa，同時保持了可觀的延展性，與粗晶粒相比，僅從54%下降到53%。同樣，Wu等人強調了非對稱軋制和部分再結晶在非均勻層狀結構Ti材料中的強度和延展性的有利協同作用。它具有與粗晶Ti相當的延展性，同時具有與超細晶Ti相似的強度。然而，制作這些異質結構的傳統方法具有固有的缺點，包括處理時間長和成本高。當處理復雜的幾何形狀和在制造過程中精確管理組合調制時，這些挑戰變得更加明顯，使其實現具有固有的挑戰性。
為了應對這些緊迫的挑戰，增材制造（AM）已經成為一種很有前途的解決方案，通過復合方法開拓了異質結構的近凈形狀生產。先前的研究已經證明了AM通過原位成分調整引入非均相微結構的能力。例如，通過激光金屬沉積（LMD）制備從Ti- 6al - 4v過渡到Al12Si的功能梯度材料[14]，以及通過線弧AM制備不同Ti合金（Ti- 5al - 5v - 5mo - 3cr /Ti- 6al - 4v）的微觀結構過渡梯度，其中不同成分的微觀結構發生了明顯變化。顯然，增材制造的出現為探索創新材料設計范式提供了獨特的途徑，有助于提高近α-Ti合金的整體性能。然而，研究領域仍然面臨著巨大的挑戰，包括強度的有限提高與明顯的延性犧牲，以及由于熱膨脹差異、彈性模量差異和屈服強度變化而引起的界面脆化或開裂問題。例如，通過激光AM合成的雙相鈦合金，特別是TA15和Ti2AlNb，強度從1028 MPa增加到1067 MPa，但明顯犧牲了延展性，從13.2%下降到8.0%。類似地，通過AM將Invar 36 （64 wt% Fe, 36 wt% Ni）摻入ti - 6al - 4v合金中，導致金屬間相的出現，例如FeTi (B2), Fe2Ti (C14), Ni3Ti (DO24), NiTi2。這最終導致了不良的分層，使其不適合用于結構應用。因此，迫切需要重新設想設計策略，以減輕與界面脆化有關的問題。
最近的研究提出了一種策略，通過結合元素梯度來解決界面脆化問題，以防止過早斷裂。例如，Wei等人發現，即使將Ti6Al4V和Inconel 625這兩種看似無關的材料組合在一起，仍然可以實現強度和延展性的協同增強。這是由于在這兩種材料之間引入了梯度材料過渡，以避免層間的突然過渡。此外，Guan等人發現異質結構層狀互變CrMnFeCoNi/AlCoCrFeNiTi0.5復合材料雖然具有兩相不同的硬度，但由于軟層對裂紋的抑制作用，仍然可以獲得無與倫比的強度和延展性。受這些發現的啟發，本研究探索了近α-Ti合金的另一種片層結構。它結合了梯度材料的平穩過渡，同時避免了脆性金屬間化合物。換句話說，該策略涉及到層狀結構Ti- al /Ti異質結構的發展，這是合理的幾個令人信服的原因：室溫下Al在Ti中的高溶解度降低了形成不良金屬間化合物的可能性；2. Al在Ti中的明顯擴散可能提供了層間的平滑過渡，防止了可能導致不良分層的熱膨脹系數或彈性模量的巨大差異；3. 有充分證據表明，Al在Ti中的強化作用可能導致異質組織合金的高強度。
在這項工作中，香港理工大學的陳子斌教授團隊開發了一種多梯度α-Ti/Ti- 10al結構，其特點是強度接近于堅固的Ti- 10al合金，而延展性接近于延展性純Ti。先進的表征技術已被用來闡明這些特殊性質的綜合機制。值得注意的是，在增材制造過程中觀察到Al的臨界擴散行為，導致出現了一種具有獨特成分梯度和結構梯度的新型非均質多梯度結構。非均質多梯度結構施加幾何限制，從而在變形過程中表現出梯度應變分配效應，有效地產生額外的加工硬化，阻礙裂紋的萌生和擴展，從而在提高強度的同時保持良好的延性。這種創新的結構設計策略為制造具有卓越強度-延性組合的優質Ti提供了一條有前途的途徑，對其他合金可能導致延性降低的合金具有更廣泛的影響。
相關研究成果以“Exceptional strength and ductility in heterogeneous multi-gradient TiAl alloys through additive manufacturing”發表在Acta Materialia上。
香港理工大學陳子斌教授團隊的一項工作代表了非均質合金設計和增材制造技術交叉領域的一個重要進展。通過在增材制造過程中精確控制鋁（Al）的擴散，團隊成功地創建了具有獨特成分梯度和結構梯度的非均質多梯度結構。他們開發的多梯度α-Ti/Ti-10Al結構不僅在提高材料強度的同時保持了良好的延展性，而且還展示了如何通過精確控制微觀結構來優化合金的性能。
α-鈦（α-Ti）主要與α-穩定劑（如O， N和Al）相關。它具有一系列卓越的性能：出色的可焊性，明顯的缺口韌性，優越的比強度和良好的延展性（超過20%），使其特別適用于對延展性要求極高的應用。然而，良好的延展性主要存在于非合金α-Ti或低合金α-Ti中，這類合金的強度仍然相對較低。為了提高其強度以滿足具體實際應用的要求，加入合適含量的α-穩定元素勢在必行。然而，這種強度的提高經常被延性的急劇下降所抵消，這就是強度-延性權衡困境的例證�，F有文獻強調，少量加入氧氣或鋁會導致延展性受損，同時也會增加強度——在引入0.3wt%氧氣或4.0wt%鋁時，延展性下降200%。因此，建立一種經濟的制造模式，在不顯著影響延展性的情況下增強強度，對于推進α-Ti的結構應用仍然至關重要。
最近，異質結構材料作為一種非常有前途的候選材料，通過巧妙地整合適當的微觀結構設計，實現了強度和延展性的卓越結合，這一重大進展使異質結構材料成為人們關注的焦點。因此，這提高了強度和應變硬化能力，同時最大限度地降低了延性。在之前的一項研究中，Li等人通過退火和熱壓技術成功制備了一種異質結構的純鈦（Ti），其特點是粗晶粒和細晶粒交替存在，其強度明顯增強，從292 MPa上升到354mpa，同時保持了可觀的延展性，與粗晶粒相比，僅從54%下降到53%。同樣，Wu等人強調了非對稱軋制和部分再結晶在非均勻層狀結構Ti材料中的強度和延展性的有利協同作用。它具有與粗晶Ti相當的延展性，同時具有與超細晶Ti相似的強度。然而，制作這些異質結構的傳統方法具有固有的缺點，包括處理時間長和成本高。當處理復雜的幾何形狀和在制造過程中精確管理組合調制時，這些挑戰變得更加明顯，使其實現具有固有的挑戰性。
為了應對這些緊迫的挑戰，增材制造（AM）已經成為一種很有前途的解決方案，通過復合方法開拓了異質結構的近凈形狀生產。先前的研究已經證明了AM通過原位成分調整引入非均相微結構的能力。例如，通過激光金屬沉積（LMD）制備從Ti- 6al - 4v過渡到Al12Si的功能梯度材料[14]，以及通過線弧AM制備不同Ti合金（Ti- 5al - 5v - 5mo - 3cr /Ti- 6al - 4v）的微觀結構過渡梯度，其中不同成分的微觀結構發生了明顯變化。顯然，增材制造的出現為探索創新材料設計范式提供了獨特的途徑，有助于提高近α-Ti合金的整體性能。然而，研究領域仍然面臨著巨大的挑戰，包括強度的有限提高與明顯的延性犧牲，以及由于熱膨脹差異、彈性模量差異和屈服強度變化而引起的界面脆化或開裂問題。例如，通過激光AM合成的雙相鈦合金，特別是TA15和Ti2AlNb，強度從1028 MPa增加到1067 MPa，但明顯犧牲了延展性，從13.2%下降到8.0%。類似地，通過AM將Invar 36 （64 wt% Fe, 36 wt% Ni）摻入ti - 6al - 4v合金中，導致金屬間相的出現，例如FeTi (B2), Fe2Ti (C14), Ni3Ti (DO24), NiTi2。這最終導致了不良的分層，使其不適合用于結構應用。因此，迫切需要重新設想設計策略，以減輕與界面脆化有關的問題。
最近的研究提出了一種策略，通過結合元素梯度來解決界面脆化問題，以防止過早斷裂。例如，Wei等人發現，即使將Ti6Al4V和Inconel 625這兩種看似無關的材料組合在一起，仍然可以實現強度和延展性的協同增強。這是由于在這兩種材料之間引入了梯度材料過渡，以避免層間的突然過渡。此外，Guan等人發現異質結構層狀互變CrMnFeCoNi/AlCoCrFeNiTi0.5復合材料雖然具有兩相不同的硬度，但由于軟層對裂紋的抑制作用，仍然可以獲得無與倫比的強度和延展性。受這些發現的啟發，本研究探索了近α-Ti合金的另一種片層結構。它結合了梯度材料的平穩過渡，同時避免了脆性金屬間化合物。換句話說，該策略涉及到層狀結構Ti- al /Ti異質結構的發展，這是合理的幾個令人信服的原因：室溫下Al在Ti中的高溶解度降低了形成不良金屬間化合物的可能性；2. Al在Ti中的明顯擴散可能提供了層間的平滑過渡，防止了可能導致不良分層的熱膨脹系數或彈性模量的巨大差異；3. 有充分證據表明，Al在Ti中的強化作用可能導致異質組織合金的高強度。
在這項工作中，香港理工大學的陳子斌教授團隊開發了一種多梯度α-Ti/Ti- 10al結構，其特點是強度接近于堅固的Ti- 10al合金，而延展性接近于延展性純Ti。先進的表征技術已被用來闡明這些特殊性質的綜合機制。值得注意的是，在增材制造過程中觀察到Al的臨界擴散行為，導致出現了一種具有獨特成分梯度和結構梯度的新型非均質多梯度結構。非均質多梯度結構施加幾何限制，從而在變形過程中表現出梯度應變分配效應，有效地產生額外的加工硬化，阻礙裂紋的萌生和擴展，從而在提高強度的同時保持良好的延性。這種創新的結構設計策略為制造具有卓越強度-延性組合的優質Ti提供了一條有前途的途徑，對其他合金可能導致延性降低的合金具有更廣泛的影響。
相關研究成果以“Exceptional strength and ductility in heterogeneous multi-gradient TiAl alloys through additive manufacturing”發表在Acta Materialia上。
圖1所示。使用LENS™工藝制備均質Ti和TiAl試樣以及非均質TiAl試樣。(a)采用LENS™技術的打印過程示意圖。(b)連續層的印刷策略。(c)非均相TiAl合金的印刷設計。（d1-d3）從構建的均質Ti、均質TiAl和非均質TiAl樣品的橫截面表面獲得的OM圖像顯示，樣品內部幾乎沒有孔隙形態。
圖2所示。粉末和成品樣品的相組成。(a)接收CP-Ti和預合金Ti-54Al粉末的XRD譜圖。(b)在平行于構建方向的橫截面表面上觀察到的均相Ti、均相TiAl和非均相TiAl樣品的XRD圖譜。
圖3所示。室溫下均質Ti、均質TiAl和非均質TiAl的力學性能(a)工程應力-應變曲線。(b)與迄今為止報道的其他高強度α-Ti合金（包括SLM CP-Ti , SLM HDH-Ti, SLM TiNX, DED CP-Ti[34,35]和PM TiAlx）的屈服強度和總伸長率的比較。
圖4所示。顯微硬度在建筑距離上的分布。
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