鈦(Ti)合金由於(yu) 比強度高、耐腐蝕性能優(you) 異、疲勞性能良好被廣泛應用於(yu) 航空航天和生物醫學領域。晶界α-相(GB-α)是Ti合金中常見的組織之一，被認為(wei) 對力學性能有不利影響。Ti合金中GB-α的形成受一係列因素的影響，如冷卻速度、退火溫度和合金成分。GB-α的形態可分為(wei) 連續型和不連續型兩(liang) 種，連續的GB-α被認為(wei) 優(you) 先在β相的大角度晶界(HAGBs)處形成，β鈦合金中不連續GB-α的形成可能是由於(yu) 大角度晶界上初生GB-α之間的元素偏析造成。

此外，β相向α相轉變過程中的不同選擇也決(jue) 定了GB-α相的形態。對Ti-6Al-4V(Ti-64)等激光粉末床融合(LPBF)加工後的Ti合金進行熱處理是獲得理想力學性能的重要途徑。在LPBF處理的Ti合金中，經過各種熱處理後，可以很容易地識別出GB-α的存在，而GB-α在製備狀態下幾乎沒有被注意到。雖然在常規製造的鈦合金中，GB-α的形成機製已經被證實，通常與(yu) 化學動力和晶體(ti) 取向有關(guan) ，但在LPBF加工的鈦合金中，GB-α的生長行為(wei) 卻很少被報道。

上海理工大學的研究人員探討了GB-α在LPBF處理Ti-64中的析出和粗化行為(wei) 。相關(guan) 論文以題為(wei) “Grain boundary α-phase precipitation and coarsening: Comparing laser powder bed fusion with as-cast Ti-6Al-4V”發表在scripta Materialia。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114261

本文通過氣體(ti) 霧化法製備合金粉末，合金成分為(wei) Ti-6.20Al-4.04V-0.15O-0.01C-0.028N-0.0043H-0.20Fe。激光功率265W，掃描速度1100mm/min，開口距離0.15mm，層厚0.04mm。熱處理溫度為(wei) 750℃、850℃、950℃，保溫時間1、2、3、6h(水淬)，對比鑄態Ti-64試樣進行相同熱處理。

研究發現製備的Ti-64在原有的β晶界上沒有出現GB-α相，與(yu) 之前的研究一致，在不同溫度熱處理後，GB-α可以在EBSD逆極圖中識別出來。在750℃熱處理的樣品，隻能識別出少量的GB-α相，其厚度為(wei) 0.87±0.23μm；隨著溫度的升高，GB-α呈現出近乎連續的形貌，850℃/5min後測得其平均厚度為(wei) 1.19±0.19μm，950℃/5min後測得其平均厚度為(wei) 1.63±0.13μm。樣品GB-α相主要分布在β晶界的三重連接處(TJs)，GB-α在TJs處的優(you) 先形核可能與(yu) 這些位置存在較多的晶體(ti) 缺陷有關(guan) ，這些缺陷是由於(yu) GB位錯造成的，它導致存儲(chu) 能量更高，並促進擴散，有益於(yu) GB-α相形核。

圖 1 750℃/5 min、850℃/5 min、950℃/5 min時α相反極圖和β相反極圖

圖2 750℃/5min、850℃/5min、950℃/5min時EBSD圖

圖3 不同熱處理後LPBF和鑄態Ti-64的GB-α厚度以及高溫對粗化係數n的影響

圖4 EBSD分析850℃/5min試樣及生長示意圖

綜上所述，本文研究了LPBF處理Ti-64後熱處理過程中GB-α的析出和粗化行為(wei) 。Ti-64的顯微組織為(wei) 全α馬氏體(ti) ，無GB-α相。在隨後的高溫處理過程中，由於(yu) 在這些位置的界麵能較高，GB-α在之前β晶界的TJs處迅速析出和生長。高溫熱處理過程中，GB-α連續粗化行為(wei) 遵循經典Lifshiz和Slyozov，Wanger理論(LSW)，該理論表明，在750℃時粗化行為(wei) 為(wei) 體(ti) 擴散，在850℃和950℃時發生界麵反應。在不同溫度下，從(cong) 體(ti) 擴散到界麵反應的粗化行為(wei) 變化可能是由於(yu) 某些α片層出現界麵不穩定析出，導致GB-α的曲率增大。本研究得出的LPBF處理後退火工藝與(yu) GB-α析出和粗化行為(wei) 之間的相關(guan) 性有助於(yu) 進一步提高鈦合金的力學性能。