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金属顶级期刊论文:首次报道一种新的马氏体相变机理!

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增材制造钛合金马氏体相变机理研究尚无共识,对显微/纳米结构演变(马氏体相分解)的深刻理解至关重要。本研究首次提出了一种新的相变机理:通过热处理过程中元素浓度变化逐步置换晶格中的 Al, V和Ti原子。这不仅可以优化增材制造后处理,设计用于3D打印的新型钛合金提供了理论基础。

增材制造(AM)在航空,医疗设备和汽车等行业中变得越来越重要,因为增材制造在所有近净成形工艺中是净成形水平最高的工艺。钛合金Ti-6Al-4V(Ti64)由于其耐腐蚀性,生物相容性,高比强度,优异的机械性能和断裂韧性而成为增材制造中的首选材料之一。在基于激光的独特AM系统中,熔融层的冷却速率极高(约103-108K/s),合金将形成具有密排六方(HCP)晶体结构的亚稳定针状马氏体相,而常规处理(冷却速率0.5K/s)将产生典型的α+β(平衡)结构,导致增材制造的合金具有出色的疲劳性能。大多数研究集中在基于合金的微观结构了解不同的热处理周期对机械性能的影响。关于马氏体相变机理的总体研究尚无共识,因此对显微/纳米结构演变(马氏体相分解)的深刻理解至关重要,以便优化在增材制造Ti-6Al-4V合金上应用的热处理工艺。

爱尔兰都柏林大学的一项研究通过高温原位XRD和TEM分析,观察了增材制造的Ti64合金的应力松弛和相变机理。相关论文于以题为“Mechanism of stress relaxation and phase transformation in additively manufactured Ti-6Al-4V via in situ high temperature XRD and TEM analyses”发表在Acta Materialia。

论文链接:

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.02.056

经过1000℃的高温原位实验发现,Ti64晶格逐渐膨胀并伴随着内部残余应力的释放和α’(马氏体)→α+β(平衡)转变。虽然α平衡相的理论晶格参数为a=2.935Ȧ和c=4.685Ȧ,但XRD分析结果表明,初始马氏体晶体结构具有分别对应于(0101)和(0111)平面的a=2.933Ȧ和c=4.655Ȧ的晶格参数。说明马氏体和平衡α具有非常相似的晶格参数,但是马氏体相是稍小的压缩晶格结构。

实验观察到当合金从25℃加热到400℃时发生晶格的应力松弛,而没有出现任何相变。高于400℃,α’(马氏体)→α+β(平衡)相变是逐步发生的。XRD和TEM结果均表明晶体结构发生了转变,而随着α’马氏体逐渐分解,α(平衡)和α’(马氏体)共存。

原位TEM分析中使用的不同加热速率显示出对晶格膨胀机理的直接影响。较低的加热速率样品(100℃/min)显示出逐步膨胀,这是由于加热期间在特定的转变温度下停留时间较长,而在较高的加热速率(200℃/min)样品中未观察到这种机理。此外,观察到hcp晶体的a和c晶格参数在500-700℃之间线性增加,这是由于原子半径为143 pm(Al)和135 pm(V)的这些原子的扩散,以及它们被Ti原子取代(147 pm),导致晶体结构在700℃完全转变为α+β(平衡)。由于晶格的热膨胀,在此温度以上加热导致a和c晶格参数进一步增加,同时保持c/a比几乎不变。

金属顶级期刊论文:首次报道一种新的马氏体相变机理!

图1 不同温度下合金的原位XRD分析

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图2 不同温度下合金的TEM图像(a)25℃;(b)550℃;(c)600℃

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图3 不同温度下合金的TEM图像(a)25℃;(b)650℃;(c)700℃

金属顶级期刊论文:首次报道一种新的马氏体相变机理!

图4 不同温度下晶格变化示意图

总的来说,本研究首次提出了一种相变机理(For the first time, a mechanism of phase transformation is proposed),该相变机理是通过热处理过程中元素浓度变化逐步演变进行的,导致晶格中的 Al, V和Ti原子逐步置换。这不仅可以优化增材制造Ti64合金的后处理,而且还可以为设计用于3D打印的新型钛合金提供理论基础。(文:破风)

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