用气雾化和板滞合金化等离子体体球化粉末激光床熔增材制备钛非金属间复合物合金的构造、精致化和板滞本能

江苏激光同盟异读：

正文阐明了用激光粉末床熔合(L-PBF)增材创造本领，在高温平台预热下制备ti2alnb基合金样本的进程。

纲要

沿用激光粉末床熔合(L-PBF)增材创造本领，在高温平台预热下制备ti2alnb基合金样本。板滞合金化后等离子体体球化获得的Ti-22Al-22Nb-0.1Mo-0.3Hf-0.3Ta-1.5Zr-0.8Si-0.9Fe (at. %)粉和Ti-24Al-25Nb-1Zr-1.4V-0.6Mo-0.3Si (at.%)气体雾化(GA)粉末为材料。在600℃及之上的平台预热温度下制备无裂纹样本，而较低的预热温度会引导两种粉末爆发裂纹。板滞合金化等离子体体球化(MAPS)粉末的对立密度最高为99.3%±0.1%，而气相雾化粉末的对立密度在99.9%±0.1%之上。

x射线衍射、扫描电子显微镜、电子背散射衍射领会表白，平台预热温度对合金的构造和相构成有明显感化。用差示扫描量热法测定了相变温度。在对立较低的预热温度下，创造了渺小的B2/β胞状构造，而运用600℃及之上的预热温度举行原位热处置，产生非金属间复合物ti2alnb相。普及预热温度不妨革新由MAPS粉末制备的样本的化学平均性。截止表白，MAPS粉末的显微构造从实足B2/β到B + O, GA粉末的显微构造从B2/β、B2 + O到实足O。当预热温度为700℃时，显微硬度值最高，对应的o相体积分数最高。预热温度为980°C时，试样的抗压强度最高。

1.引见

钛铝合金被觉得是最有出息的一类资料，用来公共汽车和宇航航天高温运用。早期开拓的Ti3Al和tial基合金室温延性差，控制了其运用。正交晶ti2alnb基(o相)合金是连年来兴盛起来的一种具备杰出延长性的新一代钛铝合金。它们还以其进步的本能拉拢而驰名，如低密度、高强度、耐侵蚀和抗蠕变，以及处事温度高达650-700°C。Ti-22Al-25Nb (.%)合金是暂时接洽最普遍的正交晶合金之一。但为了普及其蠕变强度和抗氧化本能，须要增添Mo、Zr、Si等多种合金元素。

沿用等离子体体回旋电极法(PREP)制备Ti-45Al-7Nb-0.3W粉末。

沿用等离子体体回旋电极工艺(PREP)制备了Ti-45Al-7Nb-0.3W粉末(≤150 μm球状粉末)。上海图书馆表露了粉末的扫描电子显微镜(SEM)图像。运用自治SEBM呆板。创造了各尺寸20毫米的正方体样本。

保守的ti2alnb基合金的锻造和铸造工艺因为波及多个阶段，本钱高且难度大。它在形势成形上面也有控制性，由于正交晶合金有较差的成形性和偏析目标。粉末冶金本领，如火花等离子体烧结和热等静压，已被用来消费钛正交晶合金。但是，搀杂好多形势零件的制形成本高且有限，板滞本能有待于普及。

保守的焊接本领已胜利地运用于钛铝合金的电子束或激光焊接，但非金属间复合物合金的熔焊贯穿仍具备挑拨性。tial基合金在焊接后展示了重要的冷裂纹。指出经过遏制冷却速率和焊后热处置不妨减少裂纹。电子束焊接是贯穿钛铝合金的首要选择本领，但因为合金易爆发冷裂，所以须要提防遏制焊接参数。

古埃及人运用铜和As涂层的非金属东西

非金属间复合物，也称为非金属间合金，是由两种或三种非金属或非金属和非非金属的亚原子构成的固相，它们的晶体构造各别于那些构成元素。非金属间复合物早在纪元前2500年就为生人所知。埃及人和安纳托利亚人用铜和As的非金属间复合物动作涂层来巩固非金属东西 (见上海图书馆)。在20世纪50岁月和60岁月，非金属间复合物的构造和本能被普遍接洽，截止创造了很多有吸吸力的本能。连年来，Cr供给的策略本质惹起了人们对非金属间复合物动作含Cr合金代替品的爱好。自20世纪70岁月此后，寰球范畴内的接洽对咱们对非金属间复合物及其合金的构造和本能的基础看法作出了普遍的奉献。

增材创造本领已普遍运用于创造好多搀杂性高、功效本能强的非金属零件。激光粉末床熔合(L-PBF)，也被称为采用性激光融化(SLM)，因为其不妨消费高品质的好多形势搀杂的非金属元件，遭到了学术界和产业界的普遍关心。它运用聚焦激光束，按照cad数据分层采用性地熔合非金属粉末。

另一种AM工艺——采用性电子束熔炼(SEBM)已被用来制备钛铝基非金属间复合物。它运用电子束预热粉末床至1000°C之上的本领已被表明是可行的，以消费无裂纹的γ-铝化学物理零件。暂时对于铝钛复合物的L-PBF的接洽还很有限。因为铝钛化学物理易开裂，在AM进程中须要举行高温预热，以减小热梯度，控制裂纹的产生。

正文表白，消费无裂纹的tial基合金须要800°C的平台预热。在之前的接洽中曾运用元素粉末“原位”制备Ti-22Al-25Nb合金。但是，该本领生存着微观构造不平均性和板滞本能差的控制性。接洽中，沿用气雾化Ti-22Al-25Nb粉末，在200°C平台预热下，沿用L-PBF法治备Ti-22Al-25Nb块体样本。固然汇报了杰出的室温拉伸本能，但不妨假如小批的o相将引导较差的高温本能。所以，须要对搀杂合金ti2alnb基合金的L-PBF进程举行更精细的接洽，以决定在原位热处置进程中激动非金属间相的产生并赢得较高的板滞本能的工艺参数。

与此同声，化学因素搀杂、本能符合于AM运用的铝化钛球状粉末的贸易可行性有限。常常沿用气体或等离子体体雾化方法治备AM的粉末。板滞合金化(MA)和等离子体体球化(PS)工艺不妨动作制备因素平均、本钱贬低的球状粉末的代替本领。将不准则形势的板滞合金粉末放入高温等离子体体射流中，使颗粒赶快融化和凝结。PS进程中，融化的颗粒在外表张力效率下凝结成球状颗粒。到暂时为止，板滞合金化等离子体体球化(MAPS)粉末在AM中的运用还很控制，尚未运用于钛铝合金。

正文接洽了沿用气体雾化(GA)和MAPS粉末在高温平台长进行预热的L-PBF工艺。沿用Ti-22Al-22Nb-0.1Mo-0.3Hf-0.3Ta-1.5Zr-0.8Si-0.9Fe(at. %) MAPS 和Ti-24Al-25Nb-1Zr-1.4V-0.6Mo-0.3Si (at. %) GA球状粉末，接洽了各别平台预热温度下L-PBF工艺参数对样本对立密度的感化。在L-PBF工艺中实行了原位热处置，激动了o相的产生。接洽了200℃~ 980℃的预热温度对MAPS和GA粉末的形貌和o相数目的感化。经过拉伸考查和显微硬度丈量来评价合金在各别前提下的板滞动作。

2.试验步调

2．1．资料

沿用电极感触气体雾化(EIGA)制备的Ti-24Al-25Nb-1Zr-1.4V-0.6Mo-0.3Si (at. %)合金GA粉，并由AMCpowder供给。粉体的粒径范畴为14 ~ 52 μm，平衡粒径d50 = 29 μm。

沿用MA和PS工艺制备正交晶合金粉末。在不锈钢铁研究磨介质的行星磨机长进行了发端试验。将Ti、Al、Nb、Mo、Zr、Si、Hf、Ta(纯度为99.9%)的搀和元素粉末搀和，获得Ti- 22al - 25nb -0.3Mo-0.2Hf-0.4Ta- 1zr -0.3Si (at.%)。沿用美利坚合众国UnionProcess公司消费的SD5试验室磨粉机举行了粉末磨粉考查。将初始元素粉末搀和成合金因素，在270 rpm转速和20:1球粉品质比的氩气氛围下，运用不锈钢铁研究磨介质研磨12 h。经MA处置后，用TEK-15体制(Tekna, Canada)对粉末举行PS处置。沿用氩氦气动作等离子体体产生气体。喷粉速率为15 g/min，等离子体体炬功率为15 kW。合成的MAPS粉末构成为:Ti-16Al-22Nb-0.1Mo-0.3Hf-0.3Ta-1.5Zr-0.8Si-0.9Fe (at.%)，表白Al在PS后因为挥发而局部丧失。运用于L-PBF工艺的MAPS粉的粒径范畴为24 ~ 98 μm，平衡粒径d50 = 63 μm。

粉末过程PS和元素散布后的颗粒抛光截面包车型的士BSE-SEM图像。

PS后粉末颗粒中元素散布的EDS图如上海图书馆所示。不妨看出，PS处置后的化学平均性鲜明优于MA处置后的初始粉末。PS处置后，合金元素在颗粒中平均散布。

2．2.激光料层融洽

样本沿用AconityMIDI (Aconity3D GmbH, Germany) L-PBF系控制备。该体例装备了射程为1070 nm、最大功率为1000 W的光导纤维莱塞。激光束直径设定于80 μm安排。创造了直径为10mm、莫大为10mm的圆柱形试样和边长为10mm的立方试样，用来参数优化和微观构造接洽(图1(a, b))。样本是在ti - 6al - 4v基体上，钼基平台上制备的。钼平台感触预热至设定温度，并由平台下的热电偶贯串遏制温度。在L-PBF工艺发端之前，钛基板被导热加热到设定的温度。工艺室连接充溢高纯氩气，以使室中的氧气含量低于20ppm。建立进程中断后，将平台和样本以大概5°C/min的冷却速度冷却至室温。

图1 在TPH = 200°C时，L-PBF制备的GA粉外表展示程度裂纹，而在TPH = 700°C时制备的MAPS粉外表展示程度裂纹;(c)拉伸贴片尺寸(毫米)及(d)预制预制件的像片。

将体积能量密度(VED)(公式(1))动作一个变量来接洽L-PBF工艺参数对对立密度的感化。MAPS粉的ve范畴为55 ~ 78 J/mm3, GA粉的ve范畴为34 ~ 78 J/mm3。MAPS粉的平台预热温度(TPH)为200 ~ 900°C, GA粉的平台预热温度为200~ 980°C。激光功率(P)，扫描速率(S)，孵化隔绝(HD)和层厚(L)的值用来制备从MAPS和GA粉末样本在弥补资料中给出。L-PBF进程沿用5 ×5 mm2正方形围盘扫描形式，回旋观点为67°C。

拉伸考查贴片长度为36 mm，规格长度为5 mm，宽窄为6 mm(图1(c, d))，在给定TPH前提下，该贴片的对立密度为最高。仅用GA粉制备拉伸片，以评介TPH对资料强度的感化。每个点尝试三个样品。

2．3.刻画

将制备好的样本沿建立目标(BD)切割抛光，举行微观构造表征。沿用后向散射电子(BSE)形式的Mira 3 LMU(TESCAN)扫描电子显微镜(SEM)对其微观构造举行了接洽。用能谱仪(EDS)对样本举行了限制化学领会。在TESCAN Mira 3 LMU扫描电子显微镜长进行电子背散射衍射(EBSD)，步长为0.5 μm，领会物相特性。

用Bruker D8 Advance x射线衍射仪(XRD) (Bruker, Germany)， Cu-Kα (λ =1.5418 Å)辐射，领会了粉末和制备样本的相构成。

对立密度是用规范金相本领丈量的，囊括用光学显微镜(OM) Leica DMI5000(Leica, Germany)在50倍夸大率下取抛光样本的起码5个各别场所。而后运用ImageJ软硬件将OM图像从大块资料中辨别出孔隙。设置为块状资料的图像的计划分数动作对立密度值。同样的道理被用来评介样本中o相积淀的体积分数和厚薄。

运用美利坚合众国通用水气公司的Phoenix Vtomex计划机断层扫描体例对体素尺寸为10 μm的样本举行x射线显微断层扫描领会(CT)。运用Avizo软硬件将ct数据可视化，并评价样本的孔隙度。

用惰性气体融化红外法和LECO TC-500领会仪(LECO，美利坚合众国)丈量氧含量。

DSC沿用德国Netzch (STA409)领会仪，升压速度为10°C/min，最高温度为1400°C。沿用90% Ar +10% H2 (vol.)气体对试样举行氧化养护。

沿用比勒VH1150型硬度考查机，在500 g载荷下，静置功夫为10 s。在每个样品的随机场所起码举行5次丈量。

拉伸考查沿用通用考查机(Zwick/Roell Z100，德国)，拉伸应急为0.3 mm/min。在之前的尝试中，拉伸片经过笔直于BD的焊花加工切割，以到达2毫米的厚薄。拉伸目标笔直于BD，每个点用三个拉伸片来计划平衡值。

局部试样在拉伸考查进步行热处置，在950°C真空退火2 h，而后在炉内冷却。

3.截止

3．1.粉末特性

激光衍射法测定的GA粉粒度散布为:d10 = 14.6μm, d50 =29.3μm, d90 = 52.3μm。颗粒呈球状和树枝状外表形貌(图2(a))。GA颗粒截面(图2(b))表露了Ti和Al微偏析的等轴枝晶构造，与Ti- 22al - 25nb GA粉末[25]中的截止一致。从图2(c)的XRD数据不妨看出，GA粉的相构成为β/B2相，该相具备体心立方(BCC)晶格。这与Ti-22Al-25Nb GA粉末的截止普遍。GA工艺典范的高冷却速度使粉末中的β/B2相维持静止，而bcc相除外的第二相不会析出。

图2 Ti-24Al-25Nb-1Zr-1.4V-0.6Mo-0.3Si (at.%) GA粉:(a)外表形貌和(b)具备树枝状构造的颗粒截面。粉末的XRD图(c)表露了β/B2固溶相峰。

MAPS粉的粒径散布为:d10 = 24.0μm, d50 =63.3μm, d90 = 98.5μm。与GA粉末一致，MA和PS法治备的粉末外表表露树枝状形貌(图3(a))，截面表露树枝状微观构造(图3(b))。少许MAPS颗粒的特性是生存里面孔隙和富铌区(图3(c))。化学不平均性表白Nb在MA和PS进程中没有实足融化，大概引导L-PBF进程后的化学不平均性。XRD截止(图3(d))表白，MAPS粉末由β/B2相和BCC晶格构成，与GA粉末一致。PS进程的特性是赶快融化和高冷却速度，进而保持了β/B2相。

图3 Ti-16Al-22Nb-0.1Mo-0.3Hf-0.3Ta-1.5Zr-0.8Si-0.9Fe (at.%) MAPS粉末:(a)外表形貌，(b)具备树枝状构造的颗粒截面，(c)具备里面缺点的颗粒截面。粉末的XRD图(d)表露β/B2固溶相峰。

MAPS粉的氧含量为0.720 wt.%， GA粉的氧含量为0.137wt.%。

跟着Fe和O的传染，Al的损食言为6 at. %，以及少许颗粒中生存未融化的Nb，表白须要进一步优化MA和PS工艺，以赢得更平均的化学散布和符合的化学构成。

３．２． L-PBF工艺参数对对立密度的感化

图4表露了L-PBF工艺参数对运用MAPS(图4(a))和GA(图4(b))粉末制备样本的对立密度的感化。两种粉末,运用TPHenergy = 200°C引导重要开裂的样本。缺陷大多是程度(图5 (a, b)),产生了因为热应力高表白TPHenergy = 200°C并不及以缩小热梯度L-PBF进程中。裂纹在试样的所有莫大(图5(d))都生存，在某一一定地区没有浓淡。在TPH= 200°C的情景下，咱们评价了来自MAPS粉末的开裂样本的对立密度，而不商量裂纹到孔隙的比率，截止如图4(a)所示。将TPH普及到600℃，不妨赢得无裂纹的样本(图5(C, e))。

图4 L-PBF工艺参数对(a) MAPS和(b) GA粉末制备样本对立密度的感化，以及(c) MAPS和(d) GA粉末制备样本平台预热温度和体积能量密度的工艺图。

图5 由GA粉末制备的样本的截面表露，在(a) TPH = 200°C， (b) TPH = 500°C时外表展示裂纹，而在(C) TPH = 600°C时外表无裂纹。在(d) TPH = 200°C和(e) TPH = 600°C时消费的正方体样本的像片。

在77.8 J/mm3VED和TPH= 700℃时，MAPS样本的最高对立密度为99.3±0.1%。当TPH值减少到900℃时，对立密度贬低，由于对立尺寸较大的球状气孔数目较多，证明TPH= 900℃引导熔体池过热。运用GA粉引导总体对立密度更高(图4(b))。大局部样本的对立密度在99%之上。在TPH= 600和700℃下，辨别在45.8和54.9 J/mm3 VED时赢得了99.9%之上的对立密度。当预热温度升高到980°C时，试样的完全对立密度贬低，不妨觉得是熔体池过热的截止。从上述截止中获得的工艺图如图4(c, d)所示。对于MAPS粉，在TPH= 700°c时，两组L-PBF参数组对应的对立密度>99%。对于GA粉，三个参数集承诺实行对立密度>99.9%。

在TPH= 700°C前提下制备的对立密度≥99%的MAPS和GA粉末样本举行ct接洽。用来制备那些样本的VED辨别为77.8 J/mm3和45.8 J/mm3。按照ct截止(图6)，两种样本的孔隙度均低于0.05%，辨别率约为10 μm。MAPS粉样本的平衡孔径为30 μm, GA粉样本的平衡孔径为25 μm。两种情景下孔隙均以球状为主，证明那些孔隙是圈闭气体产生的。气体孔隙大概来自各别的根源，如封锁的养护气体、熔融汽化或粉末颗粒里面的孔隙。

图6 (a)在77.8 J/mm3 VED, TPH = 700℃时制备的MAPS粉末和(b)在45.8 J/mm3, TPH = 700℃时制备的GA粉末的孔隙体积的层析重修。

3．3．预热温度对构造的感化

3.3.1板滞合金化等离子体体球化粉末

图7为各别TPH下由MAPS粉末制备的ti2alnb基合金试样的显微构造。不妨看出，L-PBF进程中的TPH对正交晶合金的显微构造有明显感化。当TPH= 200℃时，获得的合金重要由β/ b2固溶体构成，如图7(a, d)所示，这与L-PBF赢得的Ti-45Nb合金一致。熔池边境处展示胞状构造，与熔池上外表比拟，产生胞状凝结前沿的形核场所增加。XRD截止(图8)表白，在TPH= 200℃时，合金中只生存β/ b2相，共存在BCC晶格。合金显微构造中生存富nb区，这是因为局部粉末颗粒的化学不平均性形成的。Nb的熔点鲜明高于其余元素，且在L-PBF处置后仍有局部未融化。如图7(A)所示，熔池边境处展示小批微裂纹。跟着TPH的减少，元素在较高温度下的开辟分散使元素散布越发平均。从图7(c, f)不妨看出，在TPH= 900℃时Nb在合金中实足融化。

图7 BSE图表露了各别平台预热温度(a, d) 200°C， (b, e) 700°C， (C, f) 900°C下，由MAPS粉末制备的ti2alnb基合金样本的显微构造。

图8 XRD图表露了在200℃、700℃和900℃的平台预热温度下制备的MAPS粉末样本的相构成。

当TPH值从200°C减少到700°C时，b2晶粒里面产生针状o相析出，表白在TPH = 700°C时举行L-PBF工艺时爆发了原位实效。如图14所示，TPH从200℃减少到700℃，o相体积分数从0减少到48%，明显减少。从图7 (b)不妨看出，o相析出物散布不平均，在熔池底部地区数目最多，对应的是富al区。B2/β晶粒莫大约为30 ~ 40 μm，沿熔池边境蔓延，为外延凝结。进一步普及TPH至900°C, o相体积分数(约28%)更小，析出物更粗。TPH= 700°C时，o相析出相厚薄约为150 nm,TPH= 900°C时，o相析出相厚薄约为800 nm。

图14 平台预热温度对沿用MAPS和GA粉末制备的l - pbp ti2alnb基合金显微硬度和o相体积分数变革的感化。

3.3.2气体雾化粉末

图9表露了各别TPH前提下由GA粉末制备的ti2alnb基合金的显微构造。在低TPH= 200°C时，显微构造为单相β/B2固溶体(图9(a))，一致于从MAPS粉末中赢得的样本。对于赤霉素粉末，其显微构造对立平均。在TPH= 200°C前提下制备的样本的相构成由XRD决定为仅由B2/β相构成，如图10所示。

图9 各别平台预热温度(a) 200°C、(b) 500°C、(C) 600°C、(d) 700°C、(e) 980°C制备ti2alnb基合金样本的微观构造。

图10 XRD图表露了平台预热温度为200、500、600、700和980°C时制备的GA粉末样本的相构成。

当TPH= 500℃时，产生了由B2/β相和o相构成的两相微观构造。XRD谱图表露重要为B2/β相宽峰和小批o对立应的小峰(图10)。

从BSE图(图9(b))中不妨看出，熔池边境邻近有月牙形的亮带地区。在BSE图像中，亚原子底数高的地区对立于亚原子底数低的地区会显得更亮，不妨假如那些亮的地区具备Nb或其余高亚原子底数元素含量减少的特性。但是，该样本的EDS图谱表露其化学构成是平均的，没有任何富铌区(图11)。BSE图像也不妨表露因为晶体取向和/或相构造分别的比较。EBSD截止(图12)表露，TPH= 500°C时制备的试样重要由B2/β晶粒和小批的o相构成，从图12(b)中不妨看出，o相重要坐落B2/β晶界处。o相体积分数约为1.5%。B2/β晶粒重要沿BD蔓延，局部晶粒向熔池重心歪斜。沿用核平衡取向缺点法决定样品的限制取向缺点。从图12(c)中不妨看出，较高的取向角在B2/β晶界中最为典范，但未检验和测定到高取向角强度的特殊地区，表白接洽地区内剩余应力对立平均。

图11 在TPH = 500℃下，对GA粉末制备的样本举行了EDS图谱领会。

图12 (b) B2/β(黄色)和o相(赤色)的散布;(C) β相的核平衡取向错向图;(d) β相的反极图。

进一步普及TPH至600℃和700℃，熔体熔池边境处产生了简直实足为o的微观构造，且有小批β相残留，如图9(C, d)所示。XRD截止表白，相构成为简单的o相(图10)。β相体积分数小，无峰。

当TPH= 980℃时，在L-PBF工艺中，B2/β晶粒里面(脸色光亮)以及晶界处渺小针状O相(脸色深)析出，产生B2 + O构造，如图9(e)所示。XRD截止也证明了合金的相构成(图10)。与TPH= 700℃时比拟，o相的体积分数明显贬低，约为21%。在此情景下，熔池边境不鲜明，表白在此温度下爆发了再结晶。

从图13不妨看出，在600℃和700℃预热温度下制备的试样在950℃退火后，构造由实足O变化为片层状B2 + O。这证明在退火进程中爆发了O→B2变化。从BSE-SEM图像不妨看出，TPH= 600℃时的试样热处置后的b2比拟TPH= 700℃时的试样稍高。

图13 在(a) TPH = 600℃和(b) TPH = 700℃前提下，950℃退火2 h后ti2alnb基合金试样的显微构造。

图14平台预热温度对沿用MAPS和GA粉末制备的l - pbp ti2alnb基合金显微硬度和o相体积分数变革的感化。

根源：Microstructure, densification, and mechanical properties of titaniumintermetallic alloy manufactured by laser powder bed fusion additivemanufacturing with high-temperature preheating using gas atomized andmechanically alloyed plasma spheroidized powders， Additive Manufacturing，https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101374

参考文件：J. Kumpfert，Intermetallic alloys based on orthorhombic titanium aluminide，Adv. Eng.Mater., 3 (2001), p. 851,10.1002/1527-2648(200111)3:113.0.CO;2-G