通過使用激光粉末熔合增材制造，在Ti-6Al-4V合金的微觀結構中設計了富氧面心立方(FCC)Ti相。這種富氧FCC相稱為“C”，其晶格參數(shù)為0.406nm，與母體α′相的取向關系如下：(0001)α′//{111}C，和<1210>α’//<1210>C。悉尼大學的研究人員提出熱梯度、馬氏體轉變變形和局部O富集的綜合作用促進了C相的形成。使得在高溫下從六方密排α'相到C相的原位相變成為可能。密度泛函理論計算表明，F(xiàn)CC結構的八面體間隙中的氧占有率在能量上優(yōu)于α'相中的相應位點。原位力學測試結果表明，F(xiàn)CC相的存在顯著提高了局部屈服強度，從僅具有α'相的1.2GPa到包含大約相等體積分數(shù)的α'和FCC相的1.9GPa，無延展性損失，顯示巨大潛力。討論了FCC相的形成機制以及未來通過增材制造進行鈦合金微觀結構設計的途徑。
此工作以“Introducing C phase in additively manufactured Ti-6Al-4V: A new oxygen-stabilized face-centred cubic solid solution with improved mechanical properties”為題發(fā)表在國際頂級材料期刊《Materials Today》上。
鈦及其合金—尤其Ti-6Al-4V，表現(xiàn)出高比強度和出色耐腐蝕性的非凡組合，因此廣泛用于從航空航天到生物醫(yī)學植入物的關鍵應用。其塑性變形能力在很大程度上受到低溫α相的六方密排(HCP)性質限制。關于Ti的面心立方(FCC)形式可以在室溫下穩(wěn)定的推測可以追溯到幾十年前。這些命題中出現(xiàn)了多重爭議，以至于今天人們普遍認為Ti的FCC形式是金屬間化合物，例如氫化物，或者當Ti合金受到電子束或電離輻射時，可能會出現(xiàn)局部和缺陷穩(wěn)定的亞穩(wěn)相段。
這些爭論的一個持續(xù)性特征是間隙元素（如H、C、N和O）作用存在著相當大的不確定性。眾所周知，O在鈦合金中以低濃度賦予顯著的強化效果，較高O濃度下則具有脆化效應。出于這個原因，間隙元素含量的精確控制是鈦合金傳統(tǒng)冶金加工中的重要考慮因素。金屬增材制造(AM)的出現(xiàn)帶來了高度的非平衡加工可能性，因此合金會受到突然和復雜的熱和應力影響，這與傳統(tǒng)冶金加工中遇到的情況相去甚遠。大的熱梯度及其快速變化率加上通過原料材料（例如粉末或線材）/構建出室溫將間隙引入部件的可能性，創(chuàng)建了一個全新的過程，動態(tài)影響強度、延展性、疲勞壽命和其他關鍵材料性能。這些過程通過動力學可知，易于形成有序氧化合物，從而有助于同時提高高熵合金的強度和延展性。在這里，探索了將間隙氧有目的地整合到AM構建中的潛力，以通過一種新的相變顯著改善力學性能，例如可以穩(wěn)定FCC的Ti。
研究一直集中在Ti-6Al-4V上，通過各種AM工藝展示了出色的可制造性。Ti-6Al-4V合金的微觀結構由高溫體心立方(BCC) β相(Imm, a = 0.3190 nm)和低溫HCP α相(P63/mmc, a = 0.2925 nm, c = 0.4670 nm)構成。HCP相的亞穩(wěn)態(tài)馬氏體被廣泛報道——稱為α′相（P63/mmc，a = 0.2931 nm，c = 0.4681 nm）：該相可以實現(xiàn)屈服強度超過1300 MPa，但總拉伸伸長率低于為關鍵結構應用建議的最低閾值~10%。最近，使用激光粉末床熔合(L-PBF)通過AM實現(xiàn)了超細晶粒α + β微結構：控制層厚度、激光功率和焦距偏移以實現(xiàn)目標熱分布熔池使得馬氏體發(fā)生分解。這種AM雙相α/β Ti-6Al-4V合金表現(xiàn)出1100 MPa的出色屈服強度和11.4%的總伸長率。
Ti和間隙元素之間的高化學親和力使得現(xiàn)在有大量關于將其結合到傳統(tǒng)加工Ti合金中的文獻。氫化鈦、氮化鈦、碳化鈦和氧化鈦的形成均有報道。這些金屬間化合物的存在與裂紋萌生和擴展的低耐受性有關。這里要注意的是，這些化合物中的鍵合狀態(tài)明顯是非金屬的，范圍從強離子到共價。在AM制造Ti-6Al-4V部件中，O的公差水平通常在∼0.6到∼1.2 at.%之間，而不會導致延展性顯著降低。稀氧溶質由于與位錯的相互作用而在鍛造純鈦中引起強烈的硬化效應。關于O如何與增材制造的Ti合金結合，人們知之甚少。
本工作通過L-PBF的AM過程動力學提供了一個途徑來穩(wěn)定Ti-6Al-4V中的新FCC相。先進的電子顯微鏡技術用于揭示FCC相的晶體學和化學細節(jié)，F(xiàn)CC相是間隙含O固溶體。進行密度泛函理論(DFT)計算以合理化含氧FCC相的形成機制。掃描電子顯微鏡(SEM)中微柱的原位壓縮表明，F(xiàn)CC和HCPTi相的存在產生的極限強度比單獨的HCP相高60%以上。至關重要的是，總延展性沒有損失。大塊樣品的力學測試證實，含F(xiàn)CC（~6vol%）材料的強度和延展性得到了極大增強。
圖1a顯示了材料的構建示意圖。方向定義為z，x和y軸垂直于此。電子背散射衍射(EBSD)實驗是在樣品的橫截面yz平面上沿方向z進行的。圖1 b-c分別顯示了頂層（頂面以下300µm或10層）和中間層的EBSD相圖，如圖1a中的兩個矩形所示。頂層微觀結構主要是α'相（紅色，圖1b），呈現(xiàn)出針狀形態(tài)，與對L-PBF Ti-6Al-4V微觀結構類似。除了α′相之外，出乎意料地在中間層觀察到綠色相。與晶格參數(shù)為0.40nm的FCC相一致。中層針狀α'相晶體的尺寸與頂層的尺寸大致相同。新的FCC相，指定為C相，也呈現(xiàn)針狀。中間層中C相的體積分數(shù)約為3.7vol.%。FCC相的體積分數(shù)從頂層的0.0vol.%單調增加到底層的6.6vol.%.通過菊池透射衍射(TKD)進一步證實了C相的形貌和FCC結構。
圖1(a)顯示頂層和中間層的示意圖，(b)和(c)中的EBSD相圖，紅色和綠色分別代表HCP α'相和FCC C相。α'相的平均寬度和長度分別為~0.9µm和8.1µm。C相的寬度和長度分別介于0.4µm至1.4µm（平均值=0.6µm）和0.8µm至10µm（平均值=4.6µm）之間。(d)TKD相圖揭示了C相的形貌。(e)BF-TEM圖像。
掃描透射電子顯微鏡(STEM)表征用于研究C相的詳細微觀結構。圖2(a-d)提供了沿<001>C和<011>C區(qū)域的高角度環(huán)形暗場(HAADF)圖像及其對應快速傅立葉變換(FFT)模式。對d間距比和不同原子平面之間的角度的詳細分析證實了FCC晶體結構。從雙相區(qū)域記錄的BF TEM(圖2e)。圖2f中的SAED揭示了兩相之間的取向關系，這是在HCP到FCC相變中觀察到的最常見的取向關系。從TKD極圖進一步證實了這種取向關系。
圖2(a)–(b)分別沿<001>C和<011>C方向的STEMHAADF圖像。(c)–(d)分別對應(a)和(b)的FFT。(e)從顯示高密度缺陷的兩相區(qū)域記錄的明場TEM圖像。(f)沿(e)記錄的相應SAED。(g)從兩相區(qū)域記錄的STEM-HAADF圖像。
圖3 (a) TEM暗場圖像，C相形態(tài)清晰可見。暗對比是α' (HCP)相。(b)和(c)分別為STEM-EELS低損耗光譜和高損耗光譜。(d)通過APT包含C相的區(qū)域的層析原子圖。（e）Ti、O、Al、H和V的一維濃度分布。
圖4(a) DFT FCC{111}/HCP{0001}界面模型，在第4層和第14層具有兩個八面體間隙O原子。箭頭表示由于周期性邊界條件導致的FCC/HCP界面。(b)整個模型中O原子的計算層分辨相對能量映射。(c)計算出的108原子FCC-Ti超晶胞中兩個O間隙原子的相對總能量作為O對分離的函數(shù)。
圖5 (a)典型真實壓縮應力-應變曲線。(b)0.2真實應變時，兩相區(qū)域的明場圖像，箭頭指向針狀HCP相。在C相中明顯存在高密度的位錯和變形孿晶。(c)大塊樣品的工程拉伸應力-應變曲線。(d)加工硬化率。
在L-PBF生產的Ti-6Al-4V合金中發(fā)現(xiàn)了富氧FCC相，指定為C相。C相的晶格參數(shù)為0.406 nm，氧濃度高達33 at. %與基體α′相的取向關系如下：(0001)α′//{111}C，和<1210>α’//<1210>C。L-PBF過程中具有顯著的熱梯度、循環(huán)熱負荷，O對于C相形成和穩(wěn)定至關重要。這種FCC相的引入顯著有利于材料的力學性能。包含接近相等體積分數(shù)的FCC和HCP相微柱的壓縮強度比僅包含HCP相的柱體高70%以上，沒有塑性損失。在變形的C相中觀察到高密度的位錯和變形孿晶，這是具有低堆垛層錯能量的變形FCC結構的典型特征。此外，HCP/FCC相界有助于提高力學性能。本研究表明，可以通過氧穩(wěn)定FCC相的顯著改善Ti-6Al-4V合金的力學。展示了主要加工條件——關鍵參數(shù)是熱梯度和通過原材料向增材制造過程輸送O。（文：早早）
