首页/文章/ 详情

北航邱春雷教授顶刊丨选区激光熔化钛合金晶界工程,有效调控组织和力学性能

9小时前浏览6


     

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。

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

关注我们, 万物皆可3D打印            
           

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.

原文下载链接:

https://doi.org/10.1080/21663831.2024.2385969         

来源:增材制造硕博联盟

ACTAdditive疲劳断裂航空航天增材UM裂纹材料
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2024-12-05
最近编辑:9小时前
增材制造博硕联盟
硕士 聚焦增材制造科研与工程应用,致...
获赞 120粉丝 67文章 529课程 0
点赞
收藏
作者推荐

国产连续纤维3D打印开拓者阿奈索三维与SolidCAM达成全球战略合作

超高机械强度的复合材料3D打印技术,正在工装夹具领域逐渐重视和应用。如果借助制造业中广泛应用的CAM软件厂商,有望将相关3D打印技术深入而又广泛地应用到目前已经存在的大市场中,成为传统制造业不可或缺的组成部分。2024 年9月18日,国际知名CAM公司SolidCAM与复合材料连续纤维3D打印开拓者阿奈索三维(Anisoprint) 达成战略合作并成为其全球代理商。SolidCam将依托其全球20余家分公司, 160 + 渠道网络及 数万家庞大用户资源,全力销售推广Anisoprint 3D打印机。通过该打印机独特的 CFC(CompositeFiber Co-Extrusion)连续纤维共挤技术,为机加工车间提供制造金属级别强度的夹具,固定装置,卡爪及末端工具的全新解决方案,大幅降低成本的同时显著提升效率。SolidCAM的辉煌征程SolidCAM 公司创立于1984 年,凭借卓越的技术实力和‌广泛的国际影响力,在 CAM领域书写了一段辉煌篇章。SolidCAM 在全球拥有160多个代理商网络,足迹遍布美国、英国、法国、德国、丹麦、加拿大、新加坡、印度、日本、中国等46个国家。它拥有超过3万家工业和教育用户,‌涉及制造业、‌电子、‌医疗、‌消费品、‌机床设计、‌汽车和航空航天工业等领域。此次全力推广 Anisoprint 3D 打印机,是对 Anisoprint 实力的高度认可与有力背书。中国3D打印品牌与日俱增的国际影响力SolidCAM 在成为全球代理商之前,考察过多家欧美上市公司,进行了全面深入的调研。作为新一代的中国科技公司,阿奈索三维有着顶尖的研发团队及最前沿的核心技术。其连续纤维 3D 打印设备,基体材料兼容性强,纤维增强结构多样性高,可在保持更低使用成本的同时满足更多应用场景,综合性能相对竞争对手有显著优势。经过长达半年的评估与对比,SolidCAM 最终坚定地选择与 Anisoprint 达成战略合作。这一举动充分表明了拥有核心技术的中国企业,正在国际增材制造的舞台上得到更多的关注与认可,并将逐步扮演更重要的角色。强强联合 坚实的合作基础SolidCAM 与 Anisoprint 的战略合作将充分发挥各自的优势,共同提升Anisoprint 在 3D 打印领域的国际影响力。SolidCAM 旗下的分公司和 160 多个代理商都将加入到分销 Anisoprint 产品的行列中来,这将给Anisoprint 拓展产品的销售渠道注入强大动力。△阿奈索与CNC机床成本对比Anisoprint 的 3D 打印在 CNC 加工所需的夹具,固定装置领域具有显著优势。传统 CNC 加工夹具过程复杂,成本高、周期长,而 Anisoprint 的 3D 打印夹具将生产时间大幅缩短至原来的 30% 以下,简化了流程,提高了效率。同时,其成本较低,响应迅速,能满足客户多元需求。连续纤维的应用使夹具强度和刚度大幅提升,不易形变,保证了加工精度和稳定性。此外,Anisoprint 的 3D 打印设备相比金属3D打印成本较低,为中小企业进入 3D 打印领域提供了便利。展望未来此次与 SolidCAM 的全球战略合作,Anisoprint有望在技术创新、市场拓展等方面实现质的飞跃。依托SolidCAM 的全球数万家客户基础,这一战略合作有望为 Anisoprint 带来高达数亿元的收入增长。随着战略合作的不断深入,Anisoprint必将在 3D 打印领域驶向更为广阔的未来。高层语录双方公司的 CEO 对此次合作高度重视并充满期待。SolidCAM 的 CEO Emil Somekh博士表示,此次合作极大地提升了公司在行业中的核心竞争优势,为客户提供更完整的解决方案与服务。在未来,我们将持续深化与 Anisoprint 的技术融合,不断探索新的应用领域,推出更多创新解决方案。Anisoprint的 CEO 刘瑞则认为,与 SolidCAM 的合作将为产品打开更广阔的市场。我们预计在未来三年内,将我们的产品应用到更多的领域,如汽车、电子、医疗等行业。同时,我们也将加强与代理商的合作,完善售后服务体系,让客户无后顾之忧。随着合作的不断深入,将会有更多创新的技术和产品推向市场,为广大制造业客户带来更多价值。来源:增材制造硕博联盟

未登录
还没有评论
课程
培训
服务
行家
VIP会员 学习 福利任务 兑换礼品
下载APP
联系我们
帮助与反馈