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北航邱春雷教授顶刊丨基于增材制造钛合金位错网络结构的晶界工程，有效调控力学性能

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本文将介绍北京航空航天大学邱春雷教授团队研究人员在材料科学领域国际知名期刊Materials Research Letters (Impact Factor: 8.6) 上发表的论文 “Dislocation network mediated grain boundary engineering in an additively manufacturedtitanium alloy”。论文第一作者为陈旭博士，通讯作者为邱春雷教授。

钛合金在制造或热处理过程中经常会形成连续的晶界α相(CGB-α)，导致诸如塑性、疲劳等力学性能的降低。增材制造因其快速的冷却速率能够抑制钛合金晶界α相的形成，但在之后的热处理过程中易析出CGB-α。为了克服该问题，北航邱春雷团队提出了基于增材制造钛合金中复杂位错网络结构开展晶界工程的新概念，通过晶界工程在热处理过程在晶界优先析出分散的沉淀颗粒，以抑制CGB-α的形成。具体地，他们在一种含碳的钛合金中通过选区激光熔化在基体形成了均匀分布的薄片状TiC沉淀相以及复杂的位错网络结构。该网络结构将TiC颗粒相互连接，同时又将它们与晶界相连接，固溶处理时，位错网络促进了晶内碳化物的溶解和晶界离散TiC颗粒的形成。在时效处理过程，这些晶界碳化物抑制了CGB-α的形成，取而代之的是不连续的晶界α。该晶界结构与晶内高密度的纳米α颗粒一同使合金展现出优异的强度-延展性结合。该研究表明，基于增材制造金属材料位错网络结构的晶界工程是有效调控微观组织、改善力学性能的重要手段。

关键词：钛合金；选区激光熔化；晶界工程；微观结构；拉伸性能

研究人员在选区激光熔化的Ti-Mo-Cr-Co-0.1C合金中观察到大量均匀弥散分布的薄片状TiC沉淀相（如图1a-b,f），这些TiC颗粒通过复杂的位错网络彼此连接，并与晶界相连通（如图1d-e）。合金经固溶处理后，位错网络促进了TiC颗粒溶解，碳原子扩散到晶界，形成离散分布的TiC颗粒（图1g-i）。由于这些碳化物颗粒的存在，时效处理后，晶界处并未形成连续α相（图1j,k），实际上晶界α相被TiC颗粒打断（如图2a），有的晶界甚至没有α相的存在（如图2b），这表明晶界TiC颗粒抑制了连续的晶界α相的形成。此外，时效还促使合金晶粒内部析出高密度的纳米级α沉淀相（图1j-l、图2）。

图1 (a-f) 打印态、(g-i) 固溶态和(j-l) 时效态Ti-Mo-Cr-Co-0.1C合金的微观结构

图2 时效处理的Ti-Mo-Cr-Co-0.1C合金微观组织

图3展示了不同制备状态的Ti-Mo-Cr-Co-0.1C合金的拉伸性能。从中可见，打印态的合金发生了脆性断裂，这是由于合金基体中均匀分布着薄片状TiC颗粒，会使位错运动变得非常困难，从而导致合金脆化。薄片状TiC的形态及其本身的脆性属性也会导致合金脆化。固溶处理后的合金展现出较高的屈服强度（～1100 MPa）和延伸率（>10%）。合金具有良好塑性的原因是固溶处理使晶内TiC溶解，消除了TiC对位错运动的阻碍作用，使位错可以更自由地滑移。时效使合金的屈服强度进一步提高，达到1170 MPa，极限强度则达到了1199 MPa，延伸率接近8%，合金的应变硬化率和均匀延伸率也大幅提高。对合金二次裂纹扩展行为的研究发现，晶界TiC颗粒的存在改变了合金的断裂模式（图4d-f），即晶界TiC颗粒导致裂纹扩展路径发生偏转，使裂纹尖端发生钝化，有效阻碍裂纹扩展，提高了材料的塑韧性。关注公众号: 增材制造硕博联盟，免费获取海量增材资料，聚焦增材制造研究与工程应用！

图3 不同状态的Ti-Mo-Cr-Co-0.1C合金的（a）工程应力-应变曲线和（b）真应力-应变曲线

图4 (a) 打印态、(b) 固溶态和(c) 时效态Ti-Mo-Cr-Co-0.1C合金拉伸后的断口形貌以及(d-f)时效态合金中的二次裂纹扩展路径

对时效态合金的变形亚结构进行研究后发现，变形后的合金中α沉淀相周围聚集了高密度的位错（图5a-b），表明α相可以有效阻碍位错运动，有利于提高应变硬化率、最高强度和均匀延伸率。另一方面，α沉淀相内部也存在一定密度的位错（图5c-d），表明位错可以剪切通过α析出物，有利于塑性变形，防止材料过早地失效。这与不连续的GB-α结合促进了良好总延伸率的获得。

图5 拉伸后的(a) 固溶态和(b-d) 时效态Ti-Mo-Cr-Co-0.1C合金中的变形亚结构

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本研究首次提出了一种基于增材制造钛合金中复杂位错网络结构的晶界工程策略，有效抑制了连续晶界α相的形成，促进优异强度-塑性结合的获得。本研究的发现为抑制钛合金中连续晶界α相的形成提供了新途径，对钛合金的微观结构优化设计具有重要参考价值。

论文引用格式：

Chunlei Qiu & Xu Chen (2024) Dislocation network mediated grain

boundary engineering in an additively manufactured titanium alloy, Materials Research Letters, 12:11, 797-805.

来源：增材制造硕博联盟

悉尼大学顶刊丨激光定向能量沉积过程热循环诱导IN718镍基合金固态相变的物理模拟

点击关注·聚焦3D打印技术👆 增材制造（AM）技术因其能够高效地生产与修复复杂形状零部件，尤其是在航空发动机中使用的镍基高温合金部件，而备受瞩目。其中，激光定向能量沉积（L-DED）作为一种金属增材制造技术，凭借其能够制造远大于粉末床熔融技术所能处理的部件尺寸，近年来在诸多行业得到了广泛应用。IN718作为一种常用的镍基高温合金，因其优异的焊接性能、可加工性以及高强度、抗腐蚀性、高温下稳定的显微组织等特性，被广泛应用于制造飞机发动等关键工程部件。然而，尽管IN718在传统制造工艺中表现优异，但在L-DED过程中，由于其复杂的内部热分布特性，导致在打印过程中难以有效控制并实现γ'、γ''、δ等重要沉淀相的形成。对于这种复杂微观结构演变过程及其与材料性能间关系的全面理解，至今仍面临较大挑战，尤其是实时观测这些相变过程，通常需要复杂的在线测量设备和技术。 Graphical Abstract 该研究采用MatCalc全程热力学模型辅助物理Gleeble模拟的方法以解决这一难题。热力学模型提供了一种替代在线观测的策略，通过物理模拟与热动力学建模相结合，系统性地揭示了热循环对IN718固态微观结构演化的影响。实验设计上，精确模拟了L-DED过程中IN718所经历的实际热循环条件。研究发现，虽然在临界温度下的短暂保温导致晶粒形貌变化较小，但确实引起了塑性应变的累积。更重要的是，实验清晰揭示了热循环如何调控γ'、γ''、δ等相的演化过程：较高的初始峰值温度会抑制这些相的析出，而延长热循环并在逐渐降低的峰值温度下进行，则有利于这些相的有效析出。具体表现为，δ相主要沿晶界和孪晶界形成，而γ′和γ''相倾向于在富铌（Nb）的区域析出，由此导致材料硬度的非均匀分布。关注公众号: 增材制造硕博联盟，免费获取海量增材资料，聚焦增材制造研究与工程应用！实验结果不仅验证了物理模拟方法在再现高温合金增材制造过程中的有效性，更凸显了其作为研究工具的巨大潜力，有望推动当前对增材制造过程中微观结构与性能演变关系的有限认知向深度和广度拓展。图1 . ( a )用于Gleeble试验的试样示意图及尺寸。两个红点表示热电偶所连接的区域。( b )研究采用的Gleeble 3500热模拟机的试验箱实物图。( c )目标(黑色)与实际(红色) Gleeble热循环对比图。( d ) c图中模拟的L-DED构建示意图。图2. 原样与Gleeble处理样品显微结构的多相（γ′，γ′，δ和碳化物）演变图。（a）原样，（b）L-11，（c）L11 h，（d）L-8，（e）L-6和（f）L-1。图3. (a) L-11和(b) L-1的γ基体原子映射图中无聚集和沉淀的迹象，(c) 原样的γ '和γ "存在偏析和沉淀。图4. MatCalc 对热循环过程中γ′、γ′′、MC型碳化物及δ相演变的预测图:(a) Gleeble模拟器应用的热剖面，(b)相分数，(c)成核速率，(d)沉淀物平均直径，(e)数密度。相关研究成果以题为 “Thermal cycle induced solid-state phase evolution in IN718 during additive manufacturing: A physical simulation study” 的论文发表在《Journal of Alloys and Compounds》上。关注我们, 万物皆可3D打印来源：增材制造硕博联盟