西工大黄卫东&林鑫顶刊丨激光定向能量沉积β钛合金添加硼实现强塑性协同增强
添加微量合金元素是定制钛合金微观结构的一种广泛采用的策略。其中，B因其显著的细化晶粒的能力而引起了相当大的关注。由于其在钛合金中的高Q值，B是一种有效的晶粒细化剂，特别是在铸造材料中。这种晶粒细化效应主要归因于凝固过程中固液界面溶质偏析引起的过冷。
Bermingham研究了0.13 wt%的B对WAAM制备的Ti6Al4V的影响。结果表明，增加B含量可以保持β晶粒的柱状生长形态，同时显著减小其宽度。
Pang XT等人研究了ZrB2对亚稳βTB2钛合金（Ti-8Cr-3Al-5Mo-5V）的影响。他们报告说，添加0.5 wt%的ZrB2使β晶粒尺寸从约150μm减小到70μm。
研究还表明，B有效地抑制了β晶粒的高温粗化。例如，Xue等人研究了L-DED Ti6Al4V-3wt%Ni-0.05wt%B合金。他们发现，0.05 wt%的B降低了β晶粒的晶界迁移率，抑制了原位热粗化和细化最终的β晶粒。Balakrishna Cherukuri等人系统地研究了微量B对近β钛合金Beta21S晶粒粗化的影响。他们的实验表明，添加0.1 wt%的B使β相区的晶粒生长活化能从320 kJ/mol增加到914 kJ/mol。此外，B引入的TiB颗粒有效地钉住了晶界，大大抑制了晶粒粗化。
B的加入也会影响β→ 钛合金中的α相变。在α+β钛合金中，研究表明B显著影响α相微观结构。例如，Sen等人研究了含有0、0.05、0.10和0.40 wt%B的Ti-6Al-4V合金。他们观察到α板条宽度从7μm减小到5.4、4.1和3.5μm，表明微量B显著细化了α板条。
此外，许多研究表明，B降低了α相的纵横比。Xue等人分析了含有0、0.08、0.17和0.25 wt%B的沉积态L-DED Ti-6Al-4V合金。他们发现，随着B含量的增加，α板条的纵横比从6.3降低到4.2、4.0和3.5。
值得注意的是，近β钛合金的钼当量高于Ti-6Al-4V，防止了L-DED加工后的直接α相沉淀。因此，L-DED近β钛合金中的α相需要随后进行热处理以进行定制。B对L-DED接近β钛合金热处理微观结构的影响尚不清楚。
Bermingham等人表明，在Ti-6Al-4V合金中添加微量B可使细粒结构的室温单轴压缩塑性提高40%，强度损失最小。同样，Zhang Z.B.等人研究了近β钛合金Ti-24Nb-4Zr-8Sn的疲劳性能，发现细晶粒结构显著阻碍了疲劳裂纹的萌生和扩展，使疲劳性能提高了约1.5倍。因此，对于近β钛合金，了解热处理过程中B诱导的β晶粒细化和α相微观结构变化如何影响力学性能至关重要。
本研究提出了一种通过将微量B添加与定制的热处理策略相结合来控制L-DED近β钛合金微观结构的新方法。与Ti-6Al-4V等α+β合金不同，在沉积过程中α相广泛形成，而Ti55531等近β合金在沉积状态下基本上不含α，从而在沉积后处理中具有更大的灵活性。通过系统地研究B在α相沉淀和生长中的作用，证明B不仅细化了α形态，还改变了其成分，影响了孪晶等变形机制，这在传统Ti55531合金中很少见。这些发现为增材制造的近β钛合金中的α相调节和力学性能优化提供了新的见解，加深了对微观结构演变和强化机制的理解。
本研究使用45 -150μm的球形Ti55531合金粉末。B粉末的粒径约为1-2μm，分别以B含量为0 wt%、0.05 wt%和0.10 wt%与Ti55531合金混合。
滑动小窗速览本研究详细图表
表1. L-DED工艺参数。
Laser Power (W) | Scanning Velocity (mm/min) | Spot Diameter (mm) | Power Feed (g/min) | Nominal Z Increment (mm) | Overlap Rate (%) |
4000 | 1200 | 5 | 30 | ∼0.7 | 50 |
图1. L-DED构建的Ti55531+xB合金的热处理方案。
图2. 沉积态Ti55531+xB的晶粒形态和粒度分布。（a，a1）Ti55531，（b，b1）Ti55531+0.05B，（c，c1）Ti55531:0.10B。
图3. L-DED Ti55531+xB的微观结构。（a）-（c）沉积态Ti55531、Ti55531+0.05B、Ti55531:0.10B的BSE图像。（d）沉积态Ti55531+xB的XRD图谱。
图4. 热处理后L-DED Ti55531+xB的显微组织特征。（a1，a2）Ti55531，（b1，b2）Ti55531+0.05B，（c1，c2）Ti55531:0.10B。（a3）、（b3）和（c3）分别是Ti55531+xB中α相宽度的统计图。
图5. EDS点分析，（a）Ti55531，（b）Ti55531+0.05B，（c）Ti55531:0.10B。不同相中固溶体元素的质量百分比，（d）αp相，（e）β相。
表2. Ti55531+xB元素含量结果。
Phsae | Element | Ti55531 | Ti55531+0.05B | Ti55531+0.1B | |||
Wt.% | At.% | Wt.% | At.% | Wt.% | At.% | ||
αp | Al | 5.45 ±0.11 | 9.50 ±0.17 | 5.48 ±0.05 | 9.54 ±0.08 | 5.85 ±0.11 | 10.09 ±0.17 |
V | 3.53 ±0.30 | 3.26 ±0.29 | 3.33 ±0.09 | 3.07 ±0.08 | 2.74 ±0.27 | 2.51 ±0.26 | |
Cr | 1.59 ±0.25 | 1.44 ±0.23 | 1.45 ±0.06 | 1.31 ±0.06 | 1.01 ±0.12 | 0.91 ±0.12 | |
Zr | 0.91 ±0.09 | 0.47 ±0.04 | 0.98 ±0.05 | 0.51 ±0.03 | 0.92 ±0.09 | 0.47 ±0.05 | |
Mo | 3.24 ±0.38 | 1.59 ±0.19 | 3.03 ±0.14 | 1.48 ±0.07 | 2.12 ±0.40 | 1.03 ±0.20 | |
β | Al | 4.15 ±0.18 | 7.48 ±0.30 | 4.18 ±0.06 | 7.52 ±0.11 | 4.13 ±0.05 | 7.44 ±0.09 |
V | 6.98 ±0.35 | 6.67 ±0.33 | 6.99 ±0.15 | 6.67 ±0.14 | 7.02 ±0.19 | 6.70 ±0.19 | |
Cr | 4.25 ±09.11 | 3.98 ±0.05 | 4.20 ±0.07 | 3.93 ±0.06 | 4.23 ±0.30 | 3.95 ±0.27 | |
Zr | 0.78 ±0.42 | 0.41 ±0.23 | 0.91 ±0.04 | 0.49 ±0.02 | 0.91 ±0.08 | 0.48 ±0.04 | |
Mo | 7.10 ±0.40 | 3.60 ±0.41 | 6.91 ±0.12 | 3.49 ±0.06 | 6.96 ±0.09 | 3.52 ±0.05 | |
图6. （a）L-DED Ti55531+xB的工程应力-应变曲线，（b）增材制造和铸造的近β钛合金的塑性-强度分布图。
图7. L-DED Ti55531+xB的SEM断口形貌。（a1，a2）Ti55531，（b1，b2）Ti55531+0.05B，（c1，c2）Ti55531:0.10B。
图8. 在L-DED Ti55531+xB中添加B的晶粒细化效果。（a）固液界面前部组成过冷区示意图。（b）晶粒成核和生长示意图。
图9. 热处理后L-DED Ti55531+xB的微观结构。（a1）、（a2）和（a3）分别是图1中Ti55531的点A、点B和点C对应的微观结构。（b1）、（b2）和（b3）分别是图1中Ti55531+0.05B的点A、点B和点C对应的微观结构。（c1）、（c2）和（c3）分别是图1中Ti55531+0.10B的点A、点B和点C对应的微观结构。
图10. （a）热处理过程中α相体积分数的变化。（b）b分别对图10（a）中点C处α相的数密度、长度和宽度的影响。
图11. （a）从L-DED Ti55531+0.10B拍摄的TEM-BF图像，（b）图11（a）中TiB和α相的HAADF-STEM图像，（c）TiB和a相之间取向校准的选区衍射图（SADP）。
图12. L-DED Ti55531和Ti55531+0.10B中β基质的EDS浓度分布。（a）Ti55531、（a1）Al、（a2）Mo、（a3）V、（a4）Cr和（a5）Zr的BSE图像。（b）Ti55531+0.10B、（b1）Al、（b2）Mo、（b3）V、（b4）Cr和（b5）Zr的BSE图像。所有实心黑线都是原始EDS数据的平滑曲线。
图13. 钼当量变化。（a）Ti55531，（b）Ti55531+0.1B。
图14. L-DED Ti55531+xB的纳米压痕硬度结果。（a）Ti55531，（b）Ti55531+0.05B，（c）Ti55531:0.10B。
表3. L-DED Ti55531+xB的纳米压痕硬度结果。（单位：GPa）。
Empty Cell | Hβ | Hαp | H(αs+β) |
Ti55531 | 4.92±0.14 | 7.51±0.29 | / |
Ti55531+0.05B | 4.85±0.25 | 6.84 | 5.76±0.20 |
Ti55531+0.10B | 4.76±0.08 | 6.72±0.09 | 5.78±0.07 |
表4. α相中主要元素的SSS系数Bi值以及αp成分对Ti55531+xB屈服强度的贡献。
Element | SSS Coefficient 𝐵𝑖 | Constant n | 𝐵𝑖 value (MPa/at. %) | Δ𝜎𝑇𝑖55531 (MPa) | Δ𝜎𝑇𝑖55531 +0.05𝐵 (MPa) | Δ𝜎𝑇𝑖55531 +0.1𝐵 (MPa) |
Al | 𝐵Al | 40 | 196.5 | 192.6 | 201.5 | |
Mo | 𝐵Mo | 54* | 44.4 | 40.4 | 27.8 | |
V | 𝐵𝑉 | 1 | 27 | 45.5 | 41.7 | 33.8 |
Cr | 𝐵Cr | 27* | 20.1 | 17.8 | 12.3 | |
Zr | 𝐵Zr | 25 | 6.1 | 6.4 | 5.9 |
图15. （a）αp成分对Ti55531+xB屈服强度的贡献。（b）α尺寸对Ti55531+xB屈服强度的贡献。（c）β晶粒尺寸对Ti55531+xB屈服强度的贡献。
图16. L-DED Ti55531+xB的变形行为。（a1）Ti55531中晶粒内的GNDs图。（a2）Ti55531+0.05B晶内相分布。（b1）Ti55531+0.05B晶内GNDs图。（b2）Ti55531中晶内相的分布。（c1）Ti55531+0.10B晶内GNDs图。（c2）Ti55531+0.10B晶内相分布。步长=0.045μm。
图17. L-DED Ti55531+xB的变形机理。（a1）Ti55531中由区域轴[01-10]上的g矢量激发的αp相的双光束衍射条件BF-TEM图像。（a2）图17（a1）的暗场图像。（a3）沿[000-1]α区轴的选区电子衍射。（b1）Ti55531+0.05Bαp相层错的BF-TEM图像。（b2）层错的高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）。（b3）沿[2-1-1-0]α区轴的选区电子衍射。（c1）Ti55531+0.10Bαp相中纳米孪晶的BF-TEM图像。（c2）纳米双胞胎的HR-TEM。（c3）沿[2-1-1-0]α区轴的选区电子衍射。
图18. Ti55531+xB中裂纹萌生和扩展机制的比较。（a1）Ti55531合金的裂纹萌生和路径。（b1）Ti55531+0.05B合金的裂纹萌生和路径，（b2）Ti55531合金晶界裂纹扩展的BSE图像，（b3）Ti55531:0.05B合金晶粒裂纹扩展的BS E图像。（c1）Ti55531+0.1B合金的裂纹萌生和路径，（c2）Ti55531合金晶界裂纹扩展的BSE图像，（c3）Ti55531:0.1B合金晶粒裂纹扩展的BSE图像。
图19. L-DED Ti55531+xB显微组织演变、变形和断裂示意图。（a）沉积时，（b）缓慢冷却，（c）老化，（d）变形和断裂。
在Ti55531+xB合金中，β晶粒尺寸随着B含量的增加而显著减小，分别从465μm减小到214μm和52μm。这主要是由于添加B后生长限制因子和凝固温度范围的增加。
在β→ α转变，TiB充当成核位点，使较大的低密度αp相在较低过冷度下沉淀，而Ti55531合金在较高过冷度时形成较小的高密度αp相和。Ti55531合金中较低的沉淀温度导致αp相的Al含量较低，但Mo、V和Cr含量较高。时效后，Ti55531中αp相排出的溶质限制了αs相的沉淀，形成了均匀的α相微观结构。相比之下，Ti55531+0.05B和Ti55531+0.10B合金促进了细小的αs相沉淀，形成了双尺寸的α相微观结构。
与Ti55531合金相比，Ti55531+0.10B合金表现出优异的强度-塑性协同效应，极限抗拉强度为1059 MPa，伸长率为15.6%。与Ti55531合金相比，其强度仅降低了6%，但伸长率提高了5倍以上。
与Ti55531合金相比，Ti55531+0.10B合金中更细的晶粒尺寸提高了适应变形的能力，导致反复的裂纹偏转并增加了裂纹扩展阻力。双尺寸α相微观结构中较大、较软的αp相显著阻碍了裂纹扩展，而αp相中的纳米孪晶在变形过程中被完全激活。因此，Ti55531+0.10B合金表现出优异的伸长率。
论文信息
Achieving strength-plasticity synergy in trace B-modified near β titanium alloy fabricated by laser directed energy deposition
Author: Hanlin Ding,Lilin Wang,Lukai Yuan,Haozhi Chai,Jun Yu,Xin Lin,Weidong Huang
doi.org/10.1016/j.matdes.2025.114082
