促進從柱狀到等軸過渡和晶粒細化

對于金屬增材制造，尤其是鈦合金，柱狀晶的形成由于會導致機械性能的各相異性，因此一直希 望避免。故促使柱狀晶向等軸晶演化(CET)，獲得具有各相同性的晶粒細化的等軸晶獲得了極大的關 注。獲得等軸晶主要通過調節過程參數，例如溫度梯度(G)，S/L界面生長速率(R)，冷卻速率進行制 造。并且合金成分也是影響等軸晶形成的主要因素。

為了促使CET的發生，過冷液體必須存在于柱狀前端之前，以使大部分等軸晶粒形核或使分離的固 體碎片或未熔化的粉末存活和生長。過冷(ΔTCS)溶質產生ΔTCS的速率由生長限制因子Q決定，其中 具有大Q值的溶質快速產生ΔTCS并且被認為是可以提供有效晶粒細化的生長限制溶質。Ti-6Al-4V中 的Al和V溶質不提供ΔTCS (Al和V溶質在Ti 中具有可忽略的Q值)，因此Ti-6Al-4V難以實現CET。

圖1實驗裝置及原理

研究人員探索了合金成分對等軸晶形成的作用。實驗發現將鈦合金成分由Ti-6Al-4V調整至Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Z，并在該基底中添加La2O3可有效實現晶粒的細化及促進等軸 晶的形成，如圖1。

圖2熱力學條件下沉積的Ti合金顯微結構

圖3晶粒尺寸—Q曲線

Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Z中La2O3對的存在使晶粒尺寸減小到超過單獨溶質效應可實現的水平，因此 ，即使具有較小的Q值也可實現有效的晶粒細化。

圖4

來源：M.J.Bermingham, D.H.StJohn, J.Krynen, S.Tedman-Jones, M.S.Dargusch. Promoting the columnar to equiaxed transition and grain refinement of titanium alloys during additive manufacturing, Acta Materialia, 2019, 168, 261.