上大任忠鸣教授团队:静磁场下激光增材制造Ti6Al4V合金力学性能增强

激光增材制造(LAM)因其设计灵活、自由度高、材料利用率高、成形精度高等优点,近年来获得迅速发展。由于局部热输入和相互作用时间短,LAM在微型熔池中具有较大的温度梯度和高冷却速度。因此,大多数LAM金属材料具有柱状晶粒沿构建方向(BD)的典型特征,从而产生各向异性。尽管通过各种努力改善合金微观结构和力学性能有,但诸如强度降低、脆性夹杂物、孔隙度和经济问题等缺点仍然不可避免。因此,提出一种新型非接触式管控方法来调节在AM中β相晶粒取向是有益的。

通过电磁(TEM)力和糊状区中的对流引起的相点变化、枝晶间流动和溶质分布,电磁场可以直接影响金属的凝固过程。因此,添加静磁场(SMF)将分别在熔池和糊状区产生可观的TEM力。然而,磁场对LAM工艺,尤其是Ti6Al4V(Ti64)合金的微观结构和性能的影响却鲜有报道。

在前期研究基础上,上海大学任忠鸣教授课题组在金属AM制造中引入了磁场辅助LAM方法,以实现晶粒结构细化和力学性能增强,且无需后处理和成分变化。产生的细化β晶粒和不连续α晶界(GBs)显著提高了伸长率。相关成果以题为“Enhanced mechanical properties of Ti6Al4V alloy fabricated by laser additive manufacturing under static magnetic field” 发表于《Materials Research Letters》。其中,Ti6Al4V合金在SMF下采用直接能量沉积法(L-DED)制备。


上大任忠鸣教授团队:静磁场下激光增材制造Ti6Al4V合金力学性能增强


结果表明,0.55 T的横向SMF可以有效地调节具有扭转的β-优先晶粒(强<001>取向到弱<110>取向)和非连续α晶界的显微组织。拉伸结果显示,伸长率(εf)在纵向和横向均有显著提高,但强度略有下降。


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横向SMF解决了金属LAM中长期存在的问题,即短时间的相互作用下微摩尔池的微观结构和织构控制。在Ti64的L-DED过程中应用SMF可以激活显著的TEM力,以诱导β相的织构和晶粒尺寸变化,并对非连续α-GBs的形成产生更深远的影响。


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该工作不仅突出了非连续α-GB在改善L-DED Ti64伸长率中的重要作用,同时表明具有更高强度的电磁场可以作为大体积LAM构件结构控制的重要实际参考因素。

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