导读：通过添加元素或颗粒来促进增材制造的钛和钛合金的晶粒细化，脆性金属间化合物的形成会导致延展性降低。本研究通过适当控制选区激光熔化（SLM）参数来实现商业纯钛（CP-Ti）的原位晶粒细化。发现较高的输入能量密度有助于晶粒细化。这归因于SLM工艺固有的循环再加热导致的固有热处理（IHT）效果。制备的CP-Ti表现出34.3%的极高延展性。这项工作证明了利用增材制造（AM）的热循环来细化金属晶粒而不改变成分的可行性。
此外，可以通过在AM过程中改变外部和内部加工参数来控制晶粒尺寸。有学者将高强度超声应用于直接能量沉积(DED)，证明Ti-6Al-4V合金的柱状晶粒可以转化为等轴形态。不幸的是，这项技术不能扩展到粉末床熔融(PBF)工艺，例如SLM和电子束熔化(EBM)，因为超声波会破坏重涂粉末层。因此，控制增材制造加工参数（如激光功率、扫描速度、层厚、扫描间距、扫描图案等）仍然是细化晶粒的常用做法。与SLM制造的Ti-6Al-4V合金不同，后者通常在原位或非原位进行热处理，以控制组成相，因此通过调整机械性能，SLM生产的CP-Ti在室温下显示出单一的α/α'相，并且机械性能在很大程度上取决于晶粒尺寸。有据可查的是，SLM制造的CP-Ti的微观结构通常以沿构建方向的柱状晶粒为特征，从而导致机械性能的各向异性。相比之下，EBM制造的CP-Ti的微观结构由细小的等轴晶粒组成。然而，没有讨论晶粒细化的机制。请注意，在该研究中，基板最初预热至650°C，并在制造过程中保持在500-600°C的范围内。EBM的这一独特特征导致了与SLM不同的微观结构形态，其中基板只能预热到较低的温度（通常高达200°C）。最近，有学者通过仔细控制SLM加工参数，固化层的温度可以升高到600-850°C的范围，这类似于EBM。这些结果提出了一个问题，即是否有可能在SLM制造的CP-Ti中实现原位晶粒细化。
澳大利亚昆士兰大学的一项研究探索了在SLM制造的CP-Ti中实现原位晶粒细化的可能性及其潜在机制。SLM制造的CP-Ti的机械响应也通过拉伸测试进行评估。相关研究以 “Achieving high ductility in a selectively laser melted commercial pure-titanium via in-situ grain refinement” 为标题发表在《Scripta Materialia》期刊上。
试验方案
图 2. 样品 c 顶部和底部附近区域的EBSD 图：(a1) 和 (a2) IPF 图（黑线表示取向误差≥15°的边界），(b1) 和 ( b2) KAM 图，(c1) 和(c2) GOS 图（GOS 值 <1.5° 的晶粒被视为再结晶晶粒）。通过 SLM 对 CP-Ti 进行多物理场模拟：(d1) Z-X 平面（平行于扫描方向）的温度等值线和速度场，其中黑色等值线表示熔池边界，(d2)处的温度等值线和速度场 Z-Y 平面（横向于激光束下方的扫描方向），以及(d3) SLM 过程中计算域的 3D 视图
图3. SLM过程中原位晶粒细化的示意图
图4.（a）SLM以Ev = 69.4 J / mm3制作的CP-Ti的工程应力-应变曲线（沿构造方向和扫描方向进行测试），以及断层表面的SEM图像和（b）（b）通过不同制造工艺制造的CP-Ti的屈服强度与伸长率
论文链接:
https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2020.09.023
来源：增材制造硕博联盟
