曼徹斯特大學(xué)：第二相質(zhì)點細化電弧增材鈦合金晶粒尺寸研究

電弧增材制造的鈦合金構(gòu)件易形成粗大的柱狀晶組織，造成成形構(gòu)件力學(xué)性能的下降，嚴(yán)重限制電弧增材制造鈦合金構(gòu)件的應(yīng)用。為了細化β相的晶粒尺寸，曼徹斯特大學(xué)的Kennedy等人分別研究了ZrN、TiN在堆積熔池中的熱穩(wěn)定以及存在機理，并結(jié)合EBSD對第二相質(zhì)點與β相晶粒之間的位向關(guān)系進行了分析，對比分析了兩種質(zhì)點的作用效果。

△圖1 論文首頁.

△圖2 電弧增材制造以及第二質(zhì)點添加原理.

實驗中，曼徹斯特大學(xué)的Kennedy等人將TiN和ZrN 粉末與聚氨酯粘合劑預(yù)混合制成混合劑，每堆積一層將混合劑涂覆在已堆積金屬的表面，而后進行下一層堆積成形，堆積得到的式樣總共有四組，分別為對照1（Ti64）、對照組2（Ti64-聚氨酯）、實驗組1（Ti64-聚氨酯-0.26wt.% TiN）、實驗組2（Ti64-聚氨酯-0.45w.t% ZrN）。

△圖3 電弧增材制造鈦合金β相的EBSD照片：(a),(c) Ti64; (b),(d) Ti64-聚氨酯.

對對照組1和對照組2的微觀組織（圖3）進行觀察分析可知，聚氨酯的添加并不會對電弧增材制造鈦合金的微觀組織產(chǎn)生影響，堆積構(gòu)件的微觀組織呈現(xiàn)明顯的粗大晶粒組織。

結(jié)合對照組2以及實驗組1的微觀組織（圖4）進行觀察分析可知，隨著TiN的添加，晶粒尺寸已從接近厘米級的大柱狀晶粒顯著減小到平均直徑約300 μm，具有更加等軸的形態(tài)。通過利用 Burgers 取向關(guān)系的EBSD 研究表明（圖5），在細化的初生β晶粒和TiN顆粒之間可以證明Kurdjumov-Sachs 取向關(guān)系。

結(jié)合對照組2、實驗組1以及實驗組2的微觀組織（圖6）進行觀察分析可知，ZrN顆粒沒有表現(xiàn)出與 TiN 觀察到的相同的有效晶粒細化。雖然證明了一些晶粒細化潛力，但ZrN 顆粒沒有提供足夠密度誘導(dǎo)形核。

△圖4添加TiN式樣的(a) 光學(xué)圖像 (b) α相IPF//ND方向，圖(c) β相IPF//ND方向圖，(d)和(e)在施加TiN粉末之前，分別從頂部 TiN 摻雜層和壁的底部獲得相應(yīng)織構(gòu)。

△圖5 從圖4c 所示區(qū)域構(gòu)建的TiN粒子簇示例: (a),(b) 光學(xué)圖像; (c) IPF//ND 彩色對比 EBSD 圖重建矩陣 β 晶粒結(jié)構(gòu); (d) 每個簇內(nèi)的TiN粒子取向。

△圖6 添加ZrN的式樣中重建β相EBSD取向數(shù)據(jù)；(a) 整個壁截面的 IPF//ND β 取向圖，(b) 和 (c) 分別在施加 ZrN 粉末之前來自頂部 ZrN 摻雜層和壁底部的相應(yīng)紋理。

從這項研究中還可以明顯看出，在增材制造中實施立方氮化物孕育的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)是開發(fā)一種優(yōu)化的方法來引入粒子，從而在低受控劑量率下更均勻地將它們分散在熔池中。

編譯 代軼勵