香港理工大學(xué)：通過增材制造的非均質(zhì)多梯度TiAl合金的卓越強(qiáng)度和延展性(2)
時(shí)間：2024-11-09 09:43 來源：材料學(xué)網(wǎng) 作者：admin 閱讀：次
圖5所示。原位DIC可視化描述了不同宏觀應(yīng)變水平下沿加載方向的應(yīng)變分布。(a)非均相TiAl合金的應(yīng)力應(yīng)變曲線。（b和c）初始階段（第一階段），缺乏應(yīng)變局部化的跡象。（d和e）中間階段（階段II），標(biāo)志著非均質(zhì)菌株分布的開始。(f)以擴(kuò)展應(yīng)變局部化為特征的后續(xù)發(fā)展（第三階段）。（g和h）高級(jí)階段（第四階段），顯示了廣泛的應(yīng)變局部化，從TiAl層過渡到相鄰的Ti區(qū)域。(i)末端階段（第五階段）捕捉應(yīng)變局部化的全面擴(kuò)展，最終導(dǎo)致試樣破裂。
圖6所示。基于掃描電鏡的均相Ti，均相TiAl和非均相TiAl樣品的顯微組織檢查。（a1和a2）均質(zhì)Ti，分別在低倍和高倍下呈現(xiàn)。（b1和b2）低倍和高倍放大下均勻TiAl的詳細(xì)顯微組織。（c1）概述圖像，強(qiáng)調(diào)試樣內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)和元素差異。附帶的EDS線掃描顯示了Al和Ti濃度的梯度變化，從TiAl層過渡到相鄰的Ti區(qū)域。（c2）對(duì)Ti層進(jìn)行更近距離的放大檢查，發(fā)現(xiàn)主要是板狀和片狀晶粒形態(tài)。（c3）在高倍鏡下對(duì)TiAl層的顯微組織檢查顯示主要是籃織晶粒形態(tài)。
圖7所示。非均質(zhì)TiAl試樣橫截面積的EPMA可視化。(a)在二次電子模式下拍攝的圖像，顯示了檢查截面上復(fù)雜的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。（b和c）來自同一區(qū)域的元素分布圖，分別突出了Al和Ti的空間分布和局部化。
圖8所示。LENS™制備的異質(zhì)TiAl樣品的原位EBSD結(jié)果。（a1）與建筑方向?qū)R的截面概覽，顯示鈦層和TiAl層的總體結(jié)構(gòu)布局。（a2）地表圖顯示了Ti和TiAl層中位錯(cuò)密度的均勻分布。（a3） Ti和TiAl層內(nèi)晶粒尺寸分布的統(tǒng)計(jì)分析。（a4）詳細(xì)描述Ti和TiAl層的GND密度分布的直方圖。（b1和c1）晶體學(xué)分析分別顯示了施加8%應(yīng)變后和到達(dá)斷裂時(shí)的微觀結(jié)構(gòu)演變。（b2和c2）對(duì)應(yīng)的GND圖，描繪了不同應(yīng)變水平、8%和斷裂時(shí)GND密度的變化，紅色虛線描繪了高密度的GND跡線。（b3和c3） 8%應(yīng)變后和斷裂時(shí)晶粒尺寸分布的統(tǒng)計(jì)分析。（b4和c4）描述兩種不同應(yīng)變水平（8%和斷裂）下GND密度的直方圖。
圖9所示。非均相TiAl樣品中Ti層的原位EBSD結(jié)果。（a1-a3）晶體學(xué)分析揭示了在不同應(yīng)變水平下Ti層內(nèi)部的顯微組織演變，隨著應(yīng)變的增加，觀察到明顯的晶粒細(xì)化：初始建成狀態(tài)（a1）， 8%應(yīng)變（b1）和達(dá)到斷裂（c1）。（b1-b3）每種應(yīng)變狀態(tài)的GND圖，突出了位錯(cuò)密度的逐漸增加及其在越來越細(xì)的晶粒中的傳播：構(gòu)建樣品（a2）， 8%應(yīng)變（b2）和斷裂（c2）。
圖10所示。LENS制備的非均相TiAl合金中富鋁區(qū)和缺鋁區(qū)的TEM表征。(a)和(b) TEM顯微圖描繪了缺al區(qū)域的片狀和板狀晶粒結(jié)構(gòu)。紅色虛線表示與板狀晶粒相關(guān)的晶界。(c)缺al區(qū)域的HRTEM圖像，插入快速傅里葉變換（FFT）圖像。(d)具有代表性的STEM顯微照片，顯示富al區(qū)和缺al區(qū)之間的界面。白色虛線突出了先前的β邊界，它區(qū)分了片層和籃織結(jié)構(gòu)。(e) TEM圖像顯示富al區(qū)主要存在特征性的籃織顆粒。(f)富al疇的HRTEM圖，與FFT插圖相輔相成。
圖11所示。缺鋁區(qū)和富鋁區(qū)斷裂非均質(zhì)TiAl試樣的TEM表征。(a)亮場(chǎng)透射電鏡（BF-TEM）圖像顯示了斷口al虧缺區(qū)板狀晶粒內(nèi)部的顯微組織演變。位錯(cuò)密度高的特征用黃色箭頭表示，位錯(cuò)細(xì)胞用紫色虛線圈表示。(b)缺鋁斷裂帶的HRTEM圖像。插圖顯示了經(jīng)過掩膜和反射處理的IFFT圖像，它闡明了位錯(cuò)的存在。(c)富al區(qū)斷裂后的BF-TEM圖像。藍(lán)色箭頭表示細(xì)的編織顆粒，綠色箭頭表示位錯(cuò)密度高的區(qū)域。(d)富鋁區(qū)斷裂區(qū)HRTEM圖像。插圖展示了經(jīng)過處理的IFFT圖像，以掩蓋（01-10）和（011-0）反射，顯示位錯(cuò)。
圖12所示。(a)在增材制造過程中，通過LENS™軟件獲得的熔池溫度分布圖。(b)在AM過程中由熔池內(nèi)的溫差觸發(fā)的既定Al梯度和Marangoni力。(c) Al在AM過程中從TiAl層向相鄰Ti層擴(kuò)散的示意圖。(d)不同鋁濃度對(duì)應(yīng)的微觀結(jié)構(gòu)變化。
圖13所示。非均質(zhì)多梯度TiAl合金的漸進(jìn)變形階段示意圖。（a1）變形的初始階段，顯示了合金在經(jīng)歷最早應(yīng)變時(shí)的新形態(tài)。綠色矢量表示變形方向，垂直藍(lán)色矢量表示Al梯度。（a2）由Al濃度的梯度變化引起的多梯度結(jié)構(gòu)圖。藍(lán)色箭頭表示微觀結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，隨著Al濃度的降低，從較細(xì)的籃狀晶粒演變?yōu)檩^粗的板狀晶粒。（b1）合金在第二階段應(yīng)變?cè)黾拥纳唠A段的描述。位錯(cuò)和位錯(cuò)細(xì)胞用紅色“T”符號(hào)表示。藍(lán)色向量表示梯度應(yīng)力分配效應(yīng)的變換方向。（b2）在變形過程中，缺鋁區(qū)產(chǎn)生的拉應(yīng)力和富鋁區(qū)產(chǎn)生的壓應(yīng)力相互作用產(chǎn)生梯度應(yīng)力分配的示意圖。（c1）變形階段III和IV的顯微組織示意圖，在高應(yīng)變下，在缺鋁區(qū)可以觀察到位錯(cuò)細(xì)胞的增加，演變成高角度/低角度晶界（用暗點(diǎn)線表示），在缺鋁區(qū)表現(xiàn)出明顯的晶粒細(xì)化，由高GND密度裝飾。（c2）這一階段延性補(bǔ)償機(jī)制的示意圖。白色的裂縫被相鄰的層所限制。（d1）斷裂前階段，呈現(xiàn)的是剛開始斷裂的合金。兩個(gè)Ti-Al層之間的應(yīng)力集中區(qū)域被連接起來。紅色圖案表示整個(gè)缺鋁區(qū)域的應(yīng)變局部化連接。（d2）這一高級(jí)階段缺陷通道形成的示意圖，闡明了在斷裂之前通過晶粒細(xì)化和GND積累建立的路徑和結(jié)構(gòu)。
圖14所示。相應(yīng)的均相Ti、均相TiAl和非均相TiAl合金的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線和應(yīng)變硬化率曲線。
圖15所示。均相Ti、均相TiAl和非均相TiAl試樣的斷口分析。（a1和a2）均質(zhì)Ti的斷裂面，紅色箭頭突出了均勻的凹陷特征。（b1和b2）均質(zhì)TiAl的斷口學(xué)特征，其中黃色虛線描繪了典型的階梯狀特征，黃色箭頭表示突出的解理面。（c1和c2）異質(zhì)TiAl試樣的斷裂形貌。紅色箭頭表示在缺鋁區(qū)域發(fā)現(xiàn)的淺凹窩，而黃色箭頭強(qiáng)調(diào)富鋁區(qū)域的解理面。能譜線掃描闡明了鋁梯度，從淺韌窩區(qū)跨越到解理為主的區(qū)域。
通過元素集成對(duì)合金進(jìn)行優(yōu)化，通常會(huì)提高材料的強(qiáng)度，但往往以降低延展性為代價(jià)，從而限制了其更廣泛的適用性。鑒于異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料所表現(xiàn)出的令人稱道的力學(xué)性能，通常是通過機(jī)械后處理或成分修改引起的微觀結(jié)構(gòu)變化來實(shí)現(xiàn)的，本研究在增材制造過程中利用原位化學(xué)成分調(diào)制來合成一種新型的非均質(zhì)多梯度TiAl合金，得出的主要結(jié)論如下：
1. 制備的非均質(zhì)多梯度Ti/Ti- 10al合金具有良好的強(qiáng)度和延展性，其屈服強(qiáng)度約為760 MPa，斷裂應(yīng)變約為33.4%。非均相TiAl合金的屈服強(qiáng)度和斷裂應(yīng)變分別約為440 MPa和37.6%，與之相比，非均相TiAl合金的屈服強(qiáng)度提高了近70%，而延展性的損害可以忽略不計(jì)。此外，與均勻TiAl合金相比（屈服強(qiáng)度和斷裂應(yīng)變分別為910 MPa和6.1%），塑性提高了近6倍，強(qiáng)度損失很小。
2. 在增材制造過程中調(diào)用的Marangoni效應(yīng)，加上Al向Ti的擴(kuò)散，促進(jìn)了組織良好的異質(zhì)多梯度結(jié)構(gòu)。這導(dǎo)致Al濃度的可控變化，隨后誘導(dǎo)晶粒形態(tài)梯度和固溶體梯度沿構(gòu)建方向從TiAl層到相鄰Ti層。
3. 非均質(zhì)多梯度TiAl合金中Ti/Ti- al層之間固有的組織和力學(xué)性能差異，促進(jìn)了變形過程中梯度應(yīng)力分配，增強(qiáng)了應(yīng)變硬化。同時(shí)，較軟Ti層的存在彌補(bǔ)了延展性，從而有效地減緩了Ti- al層內(nèi)裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展。梯度應(yīng)力分配和延性補(bǔ)償?shù)膮f(xié)同作用使強(qiáng)度和延性都得到了顯著提高。
4. 采用這種新穎的強(qiáng)化策略不僅以一種更可行的方式擴(kuò)展了經(jīng)濟(jì)可行的α-Ti合金的潛在應(yīng)用，而且為一系列合金系統(tǒng)提供了廣闊的前景。這種方法在強(qiáng)化元素在基體中表現(xiàn)出明顯的溶解度的情況下特別有益，并且它的摻入會(huì)顯著損害合金的固有延展性。
鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S1359645424007456
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