RM 哈工大苏彦庆：通过双丝电子束定向能沉积制备的纳米片层 Ti3Al/TiAl 合金： 微观组织演变和纳米硬度强化

     2024年07月25日

通过双丝电子束定向能沉积制备的纳米片层 Ti3Al/TiAl 合金：微观组织演变和纳米硬度强化

吕琦, 王亮*,刘琛, 谭英梅, 苏宝献, 王彬彬, 姚龙辉, 方洪泽, 骆良顺, 陈瑞润, 杨非, 苏彦庆*

哈尔滨工业大学材料科学与工程学院金属精密热加工国家重点实验室

哈尔滨工业大学郑州研究院

怀卡托先进材料与制造中心，怀卡托大学工程学院

 

【文献链接】

Lv, Q., Wang, L., Liu, C. et al. Nano-lamellar Ti3Al/TiAl alloy prepared via dual-wire-fed electron beam-directed energy deposition: microstructure evolution and nanohardness enhancement. Rare Met. (2024).

https://doi.org/10.1007/s12598-024-02837-z

 

【背景介绍】

钛铝合金熔点高，密度低，具有出色的比强度和比模量，在航空航天结构中备受青睐。然而，室温下较差的塑性限制了钛铝合金的应用。微观组织细化是提高钛铝合金抗变形能力的有效途径。一种常见方法是通过快速冷却促使α2/γ片层细化。研究表明，随着冷却速率的增加，片间距减小，材料的硬度增加，抗变形性能有所提升。增材制造技术在生产具有精细微观结构和优异机械性能的钛铝合金方面有巨大潜力。电子束定向能量沉积技术的高制备效率、高能量密度以及真空工作环境保证熔体纯净度等特点使其非常适合制备大型钛铝合金构件。之前的工作已经探讨了双丝电子束定向能量沉积技术制备γ-TiAl合金的强化机制，并发现快速冷却以及位错、孪晶等结构的引入会显著提高γ-TiAl合金的力学性能。然而，对双丝电子束定向能量沉积技术制备的具有片层结构的Ti3Al/TiAl合金的微观组织演变和抗变形能力仍然需要进一步探索。

 

【原文摘要】

本研究采用双丝电子束定向能量沉积（EB-DED）方法制备了具有显著提高纳米硬度的纳米层状Ti3Al/TiAl（α2/γ）合金。该研究重点关注了不同沉积高度下Ti-43Al层状合金的片层团形态和层厚的演变。采用纳米压痕测试评估了变形抵抗力，并通过数值模拟深入探讨了沉积过程。结果表明，除了顶部的少数等轴晶外，大多数片层团主要呈柱状。快速冷却显著细化了α2层片，使其平均间距为218纳米，厚度为41纳米。此外，大量的微应变和非平衡的Al分布导致了大量γ变体的生成，将γ层片细化至57纳米。丰富的γ/γ'和α2/γ界面，以及细小的α2相，有助于提高变形抵抗力。因此，纳米层状TiAl合金的纳米硬度显著增加了32%（8.3 GPa），同时维持了类似的模量（197 GPa），与传统制备的合金相当。这项研究为通过双丝电子束定向能量沉积过程推进高性能TiAl合金的发展提供了重要的希望。

 

【文章亮点】

1. 首次利用双丝电子束定向能量沉积技术制备了纳米片层Ti3Al/TiAl合金。

2. 发现了快速冷却、微应变及非平衡元素分布是促进片层细化的主要原因。

3. 解释了纳米硬度增强（9.3 GPa）来源于细化的α2片层和大量α2/γ及γ/γ'界面。

 

【内容简介】

日前，哈尔滨工业大学材料科学与工程学院的苏彦庆教授课题组在Rare Metals上发表了题为“Nano-lamellar Ti3Al/TiAl alloy prepared via dual-wire-fed electron beam directed energy deposition: Microstructure evolution and nanohardness enhancement”的研究文章， 首次使用双丝电子束定向能量沉积技术制备出了片层明显细化的纳米尺度Ti3Al/TiAl合金且纳米硬度显著提高，并研究了该工艺下TiAl合金的片层细化机理和纳米硬度增强机制。

本研究利用双丝电子束定向能量沉积技术成功制备了纳米尺度的Ti3Al/TiAl片层合金，纳米硬度增强。α2片层间距和厚度由于冷却速度的加快被显著细化，同时大量变体的生成使得γ片层的厚度明显减小。与传统工艺制备的同成分合金相比，这种TiAl纳米片层合金在保持模量相当（183GPa）的前提下，纳米硬度提高了32%（最高9.3GPa），为制备具有高抗变形能力的TiAl合金开辟了新的路径。

 

【图文解析】

图 1. TR 和 HR 的微观结构表征结果，（a）和（b）为钛铝合金沉积体 XZ 横截面的光镜（OM）和 扫描电镜（SEM） 图，（c）为XRD 图谱和相应的 PDF 卡，（d）为高倍率 SEM 图像和 EDS面扫描，（e）为EDS 线扫描结果。

研究结果表明，TiAl合金沉积体可划分为顶部的熔池区域（TR）和稳定阶段的热影响区（HR）。TR中存在柱状晶和等轴晶，而HR完全由沿竖直方向择优生长的柱状晶组成。X射线衍射（XRD）分析显示，TR和HR均显示出α2相和γ相的衍射峰，其中γ相含量高于α2相。TR具有较高的Al含量且更接近平衡元素分布状态，而HR的Al含量较低且元素分布偏离平衡状态。TR的Al元素偏析比较严重，而HR的偏析较小。综上所述，双丝电子束定向能量沉积制备的Ti-43Al合金为α2相和γ相组成的双相结构，除TR顶部的等轴状片层团外，TiAl合金其余部分片层团为具有优先取向的柱状形态，并且HR的非平衡元素分布更严重。

 

图 2. TR 和 HR 的片层结构TEM 图。（a）和（b）为TR的低倍数和高倍数明场图，（c）和（d）为HR 的低倍数和高倍数明场图，（e）和（f）为TR 和 HR 的 SAED 图样，（g）为片层尺寸的统计结果。

TEM结果显示，TR与HR均为片层结构，但HR中片层尺寸更小。熔池区α2片层间距260 nm，α2片层厚度74 nm，γ片层厚度150 nm。热影响区α2层片间距218 nm，α2层片厚度41 nm，γ片层厚度57 nm。热影响区相比熔池区的α2片层间距降低了16%，α2片层厚度降低了44%，γ片层厚度降低了62%。热影响区中观察到了更多的堆垛层错和γ孪晶。此外，在α2片层内部还观察到了由快速冷却引起α2→γ二次相变形成的细小γ相。

 

图3. TR 和 HR 的高分辨透射电子显微镜（HRTEM）结果。展示了 (a)为 TR 的高分辨图，(b) 为TR 的晶格重建图，(c) 为TR 的明场图，(d)为 (a)中 TR 的微应变分布图，(e)为 TR 的 傅里叶转换（FFT） 图样、 (f) 为HR 的明场图，(g) 为HR 的高分辨图，(h)为(g) 中 HR 的微应变分布图，(i, j) 为HR 的 FFT 图样， (k, l)分别为 (i) 和 (j)的晶格重构图。

为了进一步分析TR和HR样品中纳米片层的晶格结构，我们进行了高分辨透射电子显微镜（HRTEM）观察，并采用了傅里叶变换（FFT）和晶格重构技术。TR分析显示γ/γ'界面明显，γ'在α2相边界处形成，通过FFT和逆FFT获得了晶格重构图像，显示了γ和γ'相的原子排列。在γ/α2界面，观察到了γ'的形成，以及由于α2→γ转变引起的中间结构。微应变分布图显示γ相内的微应变比α2相内微应变更大，并且γ/α2界面侧的微应变超过γ'/α2界面侧，表明γ变体的出现有助于减轻应变集中。HR分析显示了γ'的出现，其起源于α→γ相变，形成了具有旋转原子结构的γ变体。γ和γ'相通过邻近位置的析出，形成γ/γ'界面。FFT分析和晶格重构进一步揭示了在α2/γ和γ/γ'界面的原子结构。由于α→γ固态转变引起的应变不匹配，生成了阶梯结构来抵消不匹配应变。此外，γ相内观察到了大量晶格缺陷和位错，而α2相的晶格畸变较少。微应变分布图显示HR中γ相的应变比TR大，促进γ'变体的生成，降低了系统的自由能。综上所述，通过双丝供应电子束直接能量沉积（EB-DED）过程制备的TiAl合金显示了两种不同的γ变体层状结构，其中γ'变体由α→γ固态转变产生（尺寸范围：5–10 nm）。γ和γ'变体之间很容易形成孪生界面。此外，在α2/γ界面或α2相内部观察到了极细的γ相，这是由于快速冷却过程中频繁发生的二次α2→γ固态转变。应变和晶格缺陷诱导了γ'变体的形成，γ'的出现有助于实现应变的更均匀分布。

 

图 4. 纳米压痕测试结果， (a) 为测试位置示意图，(b) 为纳米压痕曲线，(c) 为纳米压痕测试结果， (d)为测试平均值，(e)为与其他工作的对比结果。

为评估通过双丝电子束定向能量沉积技术制备的纳米片层TiAl合金的变形抗力，进行了纳米压痕测试。在TR和HR中沿水平方向各选择五个测试点。TR的平均模量为194 GPa，HR的平均模量为197 GPa。TR的纳米硬度平均值为7.8 GPa， HR米硬度平均值为8.3 GPa。与TR相比，HR表现出更高的模量和纳米硬度，这表示HR的变形抗力更大。与传统工艺制备的同成分TiAl合金相比，使用双丝电子束定向能量沉积技术制备的TiAl合金在模量相当的前提下纳米硬度提高32%。

 

【全文小结】

1熔池内结构因子（G/R1/2.79）从顶部的Sequ（≤1.85×105）到底部的Scol（≥1.31×106）呈梯度变化，这种梯度变化结合层间重熔特性，导致除了沉积体顶部观察到等轴状片层团外，其余部分片层团均为柱状。

2 α2片层厚度和间距的减小以及γ变体的大量生成促使片层结构更加精细。HR的片层尺寸更小，α2片层间距和厚度分别为218 nm和41nm，γ片层厚度为57nm。

3 α2片层尺寸减小的主要原因是沉积过程中的快速冷却。首次建立了双丝电子束定向能量沉积下冷却速率与α2片层尺寸的关系。

4 γ片层细化的原因是快速冷却和热循环导致的微应变及非平衡元素分布促进形成γ变体，α2片层尺寸的减小也会促进γ片层的进一步细化。

5与传统工艺相比，纳米片层Ti3Al/TiAl合金纳米硬度提高了32%（8.3 GPa），且模量相当（197 GPa）。细小α2片层的弹性应变传递和大量α2/γ or γ/γ'界面阻力提高了TiAl合金的抗变形能力。

 

【作者简介】

苏彦庆，哈尔滨工业大学教授、博士导师，兼任中国机械工程学会铸造分会副理事长、中国材料研究学会凝固科学与技术分会副理事长、世界铸造组织(WFO)有色材料委员会主席等职务。长期从事多相材料凝固理论、合金熔体质量控制理论与技术、特种凝固技术、增材制造及先进金属材料等方面的研究。作为负责人或主要参与者已承担或参与40余项各类科研项目，包括科技部（863、973、重点研发计划）、基金委（重大、人才、重点、面上）、装备部、工信部及国际合作项目。发表学术论文400余篇、授权发明专利70余项，获省部级科技奖励7项。