送粉式激光辅助增材制造（LAAM）是定向能沉积工艺中的一种，利用激光作为热源逐层沉积材料，可实现复杂结构零件的近净成形。Ti-Mo基β-Ti合金具有较低的弹性模量、优良的比强度等特点，在航空和生物医学等领域具有广阔的应用前景。由于具备高的强度和低的弹性模量，Ti-Mo基β-Ti合金的增材制造(AM)引起了越来越多的研究兴趣。近年来，研究人员发现Ti合金成份与激光增材制造过程的冷却速率显著影响材料的微观组织结构、析出相和机械性能的演变。但是，对于高度合金化的Ti-Mo基合金，还未有相关工作研究样品尺寸变化导致的冷却速率对析出相形成和材料机械性能的影响规律。
近期，广东省科学院智能制造研究所与西安理工大学合作，采用激光辅助增材制造技术制备了一种新型的生物相容性β型Ti-13.3Mo-7.2Al-4Zr - 0.25Ni合金，该合金表现出高屈服强度(923 MPa)和低弹性模量(68.7 GPa)的良好组合，在结构和生物医学应用方面具有很好前景。科研人员还研究了增材制造样品尺寸对β型Ti-13.3Mo-7.2Al-4Zr - 0.25Ni合金微观组织结构、析出相和机械性能的影响。研究结果发现，截面面积小的垂直试样的晶粒尺寸大于截面面积大的水平试样的晶粒尺寸。由于垂直试样截面面积较小，激光增材制造过程的热量积累导致Ti3Al、Ti2Ni和TiNi等第二相析出，进而使得垂直试样具有较高的维氏硬度和脆性断裂行为；对于截面面积大的水平试样，由于散热快，并没有发现第二相存在，表现出了优异的高屈服强度和低弹性模量组合。β-型Ti-13.3Mo-7.2Al-4Zr - 0.25Ni合金中Ti3Al、Ti2Ni和TiNi等第二相是在吉布斯自由能、界面能与合金化学成分浓度的协同作用下形成的，其中，合金化学成分浓度在第二相的形成过程中具有主导作用。
图1 激光辅助增材制造Ti合金块：（a）垂直样品；（b）水平样品
图2 不同截面面积样品的晶粒形貌及其形成机理：(a)水平试样的初生β晶粒；(b)垂直试样的初生β晶粒；(c)成分过冷示意图；(d) 基于Scheil模型通过thermal-calc计算得到的凝固范围
图3 垂直试样及水平试样的EBSD分析结果：（a）水平试样的IPF图；（b）垂直试样的IPF图；（c-d）水平及垂直试样晶粒尺寸的统计学结果
图4 垂直试样中第二相的TEM分析结果
图5 （a）水平及垂直试样的室温拉伸性能及（b）本研究中Ti合金性能与相关合金性能比较
图6 水平及垂直试样断面的SEM分析结果
图7 BCC晶体结构示意图（a），垂直试样中与构筑方向不同夹角晶粒的IPF图（b-d）及水平试样中与构筑方向不同夹角晶粒的IPF图（e-g）
相关研究成果 “Mechanisms of secondary phases formation and resultant mechanical properties of a beta-type Ti-13.3Mo-7.2Al–4Zr-0.25Ni alloy fabricated by laser aided additive manufacturing”发表在国际知名期刊Materials Science & Engineering A，材料科学中科院一区，省科学院智能制造所毕贵军研究员为第一通讯作者。该项工作得到了广东省科学院建设国内一流研究机构行动专项资金项目资助（No. 2016GDASRC-0105)。
论文信息：Shang Sui; Guijun Bi, Lijia Chen, Licao Cao, Chunjie Xu, Can Guo, Xiangquan Wu, Zhongming Zhang. Mechanisms of secondary phases formation and resultant mechanical properties of a beta-type Ti-13.3Mo-7.2Al–4Zr-0.25Ni alloy fabricated by laser aided additive manufacturing[J]. Materials Science & Engineering A, 2022, 859:144236.
先进激光增材制造技术创新团队
2022年11月27日
