通过原位马氏体分解进行选择性激光熔化，可制造出坚固而易延展的Ti-6Al-4V增材外文翻译资料

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通过原位马氏体分解进行选择性激光熔化，可制造出坚固而易延展的Ti-6Al-4V增材

摘要—通过促进原位分解Ti-6Al-4V中近似的alpha;马氏体组织，由超细（200-300 nm）板条和保留的b相组成的新型超细层状（alpha; beta;）显微组织是由以下方法制造的：选择性激光熔化（SLM）。因此，断裂的总拉伸伸长率达到了11.4％，同时保持了1100 MPa以上的高屈服强度，优于传统的SLM制备的含非平衡针状alpha;马氏体的Ti-6Al-4V和常规的经过退火的Ti-Al 6Al–4V。通过专门设计的实验，包括单轨沉积，多层沉积和后SLM热处理，研究了增材制造的Ti-6Al-4V中alpha;马氏体的形成和分解。 Ti–6Al–4V的SLM增材制造的基本条件包括层厚，焦点偏移距离和能量密度，在这些条件下，每层形成接近alpha;的马氏体结构，然后原位转变为超细层状（alpha; beta;）结构。决心。这是通过SLM制成的Ti-6Al-4V在机械性能方面实现了完整的原位马氏体分解的第一个基本方法。

关键字：钛合金； 选择性激光熔化； 相变； 微观结构 机械性能

1. 引言

选择性激光熔化（SLM）是基于粉末床的增材制造（AM）技术[1-3]。与其他增材制造工艺[1-7]一样，SLM具有优于常规制造的独特优势，例如设计自由度，免工具，近净或净形状生产，材料的有效使用，交货时间短以及可观的成本节省。在许多情况下迄今为止，已经使用SLM加工了各种各样的金属材料，并且Ti-6Al-4V（wt。％）作为基准钛合金受到了广泛的关注，因为它在工业中的广泛应用以及随之而来的高制造成本和长期使用前置时间[2,8]。

增材制造的金属结构部件的重要性能基准是获得与锻造同类产品相当甚至更高的机械性能。对于增材制造的Ti-6Al-4V，这要求其微观结构必须基本无孔并且包含可以具有强韧性的适当相。这对SLM对Ti-6Al-4V的AM提出了巨大挑战。

表1总结了SLM制造的Ti–6Al–4V，Ti–6Al–4V通过选择性电子束熔化（SEBM），轧制退火（MA）Ti–6Al–4V附加制造的拉伸性能的文献数据（变形的Ti-6Al-4V）和固溶时效（STA）的Ti-6Al-4V最为常用[1,4,9-12]。 SLM加工的Ti-6Al-4V可以达到1300 MPa以上的屈服强度，但拉伸伸长率明显低于关键结构应用建议的最小阈值10％[13]。这使制造SLM的Ti-6Al-4V失去了资格，因此，SLM后热处理通常用于改善延性[3,9]。

SLM加工的Ti-6Al-4V的机械性能在很大程度上取决于其组成相及其形态和特征长度尺度，以及先前beta;晶粒的尺寸和取向（织构）。鉴于目前的标准SLM做法是在粉末床温度低于230°C的条件下进行的，所产生的显微组织通常具有圆柱状先验beta;晶粒，并填充了针状alpha;马氏体[1-3,11]。膨化的先验beta;晶界和针状alpha;马氏体的存在有利于晶间破坏

表1.通过SLM，SEBM和传统方法制造的Ti-6Al-4V的拉伸性能。

r0.2，屈服强度； rUTS，极限抗拉强度； EL，总断裂伸长率

1. 。 此外，这种强烈纹理化的结构会导致明显的各向异性力学行为，当沿不同的样本方向承受外部载荷时，会引起很大的机械响应差异[3]。 因此，后热处理被认为是将针状alpha;马氏体转变成平衡（alpha; beta;）微结构，同时降低热应力的必不可少的过程[3,9]。

相反，通过SEBM制备Ti-6Al-4V通常在高于alpha;马氏体转变温度（Ms，575°C [15]）的粉末床温度下进行，这有利于形成alpha;和beta;而不是alpha;马氏体张力转变[16]。 alpha;和beta;的出现不仅导致近乎平衡的层状（alpha; beta;）结构，而且破坏了有纹理的柱状先验beta;晶粒，从而减轻了纹理[14]。结果，SEBM制造的Ti-6Al-4V通常比SLM制造的Ti-6Al-4V表现出更好的延展性，并且各向同性的机械性能得到了改善。但是，更好的延髓-SEBM制成的Ti-6Al-4V的强度通常对应于较低的强度（表1），陷入所谓的强度-延展性贸易困境中[17]。 STA Ti-6Al-4V似乎能够规避强度-延展性的难题，在无延展性的情况下以高屈服强度（P1100 MPa）脱颖而出。 STA方法包括在beta;转炉以上进行固溶处理，然后进行水淬和低温老化[18-20]。产生的微由于在时效过程中（4-8小时或更长时间）alpha;马氏体的分解[20]，结构由细的片层alpha;和beta;构成，基层alpha;或不存在。这就提出了一个有趣的问题：SLM是否可以在加工后的状态下生产出如此强韧的Ti-6Al-4V？

这项研究着重于应对这一挑战。 结果表明，通过基于相变和工艺优化的新颖制造设计，可以在SLM过程中实现马氏体原位分解，产生类似于STA的超细（alpha; beta;）层状结构。 因此，在SLM加工的Ti-6Al-4V中获得了比锻造更好的拉伸机械性能。

1. 实验步骤

气雾化Ti-6Al-4V粉末（ASTM 23级，ELI，O 0.1重量％，N 0.009重量％，C 0.008重量％，0.17重量％Fe，lt;0.002 wt。％H； TLS Technik GmbH＆Co.）的尺寸范围为25-45 mu;m。 使用最大功率为400 W的SLM设备（SLM Solutions GmbH，SLM 250 HL）在支撑结构上垂直制作了标本立方体（每个尺寸10毫米）和圆柱棒（直径10毫米）。在那里，不同的层厚施加了30、60和90mu;m的亮度。 将粉末床预热至200°C，并用氩气吹扫，直到氧气含量降至100 ppm。 成品Ti–6Al–4V样品包含0.1重量％的O，0.02重量％的N，0.02重量％的C和0.17重量％的Fe。 与原料粉末相比，氮和碳含量增加了分别为0.011重量％和0.012重量％。 熔融Ti与建筑室内痕量N2和CO2之间的潜在反应可能是小量吸气的原因[21]。

表2列出了SLM期间使用的处理变量。样品按层厚分为三大类。第I组，编码为S1，是指30 mu;m的层厚度，这是Ti-6Al-4V的SLM的常规做法，并作为参考。第二组和第三组分别指的是60 mu;m和90mu;m的层厚度。在这两组中，样本S2-S4（第二组）和S6-S8（第三组）被设计用来评估焦点偏移距离（FOD）对所得微结构的影响，而样本S3和S5（第二组）和中八及中九（第三组）为了阐明能量密度E（施加到每单位样品体积的能量）的影响而制作的材料。 E定义为E = P / vth，其中P是激光功率，v是激光扫描速度，t是层厚度，h是熔道宽度[2]。 E的值是通过更改舱口间距来调整的，而无需更改其他处理变量。此外，从第一组中选取的样品在350至930°C的一系列温度下热处理120分钟，以与SLM加工的Ti-6Al-4V中alpha;马氏体的分解进行比较。

表2。在这项研究中SLM加工的Ti-6Al-4V的加工参数。

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