增材制造中金屬和合金的晶粒細(xì)化一直吸引著人們的極大興趣，它促進(jìn)了細(xì)等軸組織的形成并降低了熱開裂傾向，從而在打印態(tài)下即可得到均勻且改善的機(jī)械性能。通常，增材制造過程中的晶粒細(xì)化可以通過與材料或工藝相關(guān)的策略來實(shí)現(xiàn)。前者通常涉及添加成核顆粒或限制生長(zhǎng)的溶質(zhì)，這在輕金屬和合金的常規(guī)鑄造中已得到充分研究。晶粒細(xì)化手段已在鋁合金增材制造過程中得到應(yīng)用。

鈦和鈦合金由于缺乏有效的成核劑，在增材制造工藝中實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化*挑戰(zhàn)性。目前已經(jīng)表明，通過添加具有高生長(zhǎng)限制因子的溶質(zhì)（例如硼、銅、鎢），可以改善增材制造的工業(yè)純鈦（CP-Ti）和Ti6Al4V的微觀結(jié)構(gòu)，盡管有顯著的晶粒細(xì)化并因此提高了強(qiáng)度，但由于形成了脆性的金屬間化合物，因此犧牲了延展性。此外，大量添加外來元素或顆粒會(huì)導(dǎo)致與“標(biāo)準(zhǔn)”成分的顯著偏差，從而形成了新開發(fā)的鈦基合金或復(fù)合材料，而非微量改性合金。

通過調(diào)整增材制造過程中的外部和內(nèi)部加工參數(shù)來控制晶粒度也是一種重要手段。研究表明，將高強(qiáng)度超聲應(yīng)用于直接能量沉積（DED），可以將Ti6Al4V的柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶。然而這項(xiàng)技術(shù)不能擴(kuò)展到粉末床熔融（PBF）工藝，因?yàn)槌�聲波�?huì)破壞粉末層。因此，調(diào)整工藝參數(shù)仍然是細(xì)化晶粒的常用方法。

通過SLM制備的Ti6Al4V可以通過原位或非原位熱處理來控制相組成，從而調(diào)整力學(xué)性能；SLM制備的CP-Ti在室溫下表現(xiàn)為單一的α/α’相，其力學(xué)性能在很大程度上取決于粒度。有文獻(xiàn)證明，SLM制備的CP-Ti的微觀結(jié)構(gòu)通常是沿打印方向的柱狀晶粒，這導(dǎo)致了機(jī)械性能的各向異性；而EBM制造的CP-Ti的微觀結(jié)構(gòu)由細(xì)等軸晶粒組成。那么能否通過調(diào)整SLM的打印參數(shù)實(shí)現(xiàn)CP-Ti的原位晶粒細(xì)化呢？

來自昆士蘭大學(xué)和丹麥技術(shù)大學(xué)的研究人員揭示了采用SLM制造CP-Ti實(shí)現(xiàn)原位晶粒細(xì)化的可能性及其潛在機(jī)理。制備的CP-Ti表現(xiàn)出34.3%的極高塑性，無明顯機(jī)械各向異性。這項(xiàng)工作證明了利用增材制造熱循環(huán)來細(xì)化金屬晶粒而不改變成分的可行性。

鈦合金經(jīng)調(diào)質(zhì)處理或淬火后，常出現(xiàn)高密度位錯(cuò)，這與高冷卻速度有關(guān)�？紤]到SLM高冷卻速率的制造特點(diǎn)，勢(shì)必也會(huì)形成大量位錯(cuò)，但實(shí)際情況是沿打印方向的頂端常具有相對(duì)較高的位錯(cuò)密度，而底部則由于不斷的熱循環(huán)加熱導(dǎo)致位錯(cuò)逐漸湮滅，造成了一種打印過程中“固有熱處理”的效果。在本研究中，使用的較高的能量密度使已打印區(qū)的CP-Ti的溫度可以保持在再結(jié)晶退火的溫度范圍內(nèi)，結(jié)果導(dǎo)致底部區(qū)域原位實(shí)現(xiàn)了顯著的晶粒強(qiáng)化。

同時(shí)可以看出，晶粒大小沿打印方向呈現(xiàn)梯度分布。當(dāng)熱循環(huán)峰值溫度低于β-轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，大循環(huán)重熔是一個(gè)“固有”退火過程，在此過程中發(fā)生再結(jié)晶，再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力來自晶粒內(nèi)部位錯(cuò)的儲(chǔ)能。因此，大的母晶逐漸被再結(jié)晶晶粒所消耗，導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)強(qiáng)化。

研究發(fā)現(xiàn)，較高的體積能量密度有利于晶粒細(xì)化。似乎存在一個(gè)臨界的體能量密度，只要在該能量密度上就可以進(jìn)行完全的晶粒細(xì)化。SLM打印態(tài)的CP-Ti的屈服強(qiáng)度為502.2±1.7 MPa，延伸率極高，達(dá)到了34.3±0.5％。此外，在沿打印和掃描方向測(cè)試的樣品中均未發(fā)現(xiàn)各向異性。斷裂面在較高放大倍數(shù)下顯示出面積顯著減少和韌窩前移，這是典型的韌性斷裂。將文獻(xiàn)中可獲得的拉伸性能數(shù)據(jù)與當(dāng)前工作進(jìn)行了比較，SLM制造的CP-Ti具有很高的數(shù)據(jù)分散性，但大多數(shù)顯示出比其常規(guī)制造的同類產(chǎn)品（如鑄造和退火）的ASTM標(biāo)準(zhǔn)更高的屈服強(qiáng)度。

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