添加微量B4C對增材制造鈦合金組織及熱處理行為的影響

激光粉床熔化（L-PBF）技術(shù)具有成型致密度高、力學(xué)性能優(yōu)異、可制備復(fù)雜零件和節(jié)省材料等優(yōu)勢。Ti-6Al-4V 已被廣泛應(yīng)用于增材制造領(lǐng)域，為了進(jìn)一步提高該合金的力學(xué)性能，通過引入微量增強(qiáng)相以及結(jié)合適當(dāng)?shù)臒崽幚韥韺i-6Al-4V 合金進(jìn)行改性是一種有效手段。

近日，來自加拿大McMaster University 的研究人員發(fā)現(xiàn)添加微量B4C作為增強(qiáng)相和適當(dāng)?shù)臒崽幚砜梢杂行д{(diào)控增材制造Ti-6Al-4V 合金的微觀組織并顯著提升合金的力學(xué)性能。相關(guān)論文以Unique opportunities for microstructure engineering via trace B4C addition to Ti-6Al-4V through laser powder bed fusion process:As-built and heat-treated scenarios為題發(fā)表在Additive Manufacturing上。

研究人員通過優(yōu)化的L-PBF 工藝制備了致密的Ti-6Al-4V 合金和Ti-6Al-4V/0.2% B4C（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）復(fù)合材料，并通過DSC 對兩種材料的β 相變點進(jìn)行了測試。結(jié)果表明，微量B4C 的引入顯著推遲了升溫過程中放熱峰的到來以及冷卻過程中放熱峰的寬化。

對兩種材料在亞臨界區(qū)及β 單相區(qū)分別進(jìn)行退火。發(fā)現(xiàn)Ti-6Al-4V/B4C 復(fù)合材料內(nèi)部出現(xiàn)了完全等軸的α 晶粒，該類等軸組織的Ti-6Al-4V/B4C 具有極佳的綜合力學(xué)性能、良好的強(qiáng)度和塑性。原因是Ti-6Al-4V/B4C 復(fù)合材料中的針狀TiB 相有效限制了α 相的生長。

研究人員對兩種材料的各種強(qiáng)化機(jī)制進(jìn)行了定量統(tǒng)計。證明了B4C 的加入對Ti-6Al-4V 合金的強(qiáng)度貢獻(xiàn)主要來源于Hall-Petch 細(xì)晶強(qiáng)化效應(yīng)以及C 原子的固溶強(qiáng)化效應(yīng)，TiB 相帶來的載荷傳遞作用以及位錯強(qiáng)化也對Ti-6Al-4V/B4C 復(fù)合材料的強(qiáng)度具有一定增強(qiáng)作用。研究說明β 熱處理是提高Ti-6Al-4V/B4C 復(fù)合材料綜合力學(xué)性能的有效手段。左圖為Ti-6Al-4V/0.2% B4C（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）復(fù)合材料固溶后的等軸晶體。