功能梯度金属材料增材制造:实验与数值研究综述(4)

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图6 a)从LENS处理到最后部分制作固定梯度板的步骤，以及梯度结构设计。b)与梯度结构区域相关的XRD谱图。

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点的梯度结构从CP-Ti Ti-35Nb-15Zr(图6),根据衍射模式各自的区域在图6 b,以及α的成功实现一个合适的分布和软β阶段在整个结构(由应用程序的比例组合β稳定元素),Lima 等观察到，在结构的1和5区域，由于可能存在相分离和未熔化/部分熔化的铌颗粒，可以检测到两个相β '和Nb。他们将铌粒子不完全熔化的原因归结为其他成分(如高熔点和低激光吸收)的不同物理性质及其与钛的吸热反应。基于另一项研究，图7显示了沿Ti6Al4V/Mo梯度结构的晶粒形态演变，其中注意到未熔化的钼颗粒(由于各区域输入能量密度不足)。不管是否存在未熔化的颗粒，从图7a-d中的EBSD图中可以清楚地看出梯度区界面处的β晶粒连续性和良好的冶金结合。根据IPF图，尽管在100% Ti6Al4V区域结构非常强，但在<随着Mo在梯度区加入，β晶粒变小，呈等轴状(没有特定的晶体取向)。随着Mo浓度的增加，凝固界面前部过冷度的增加是晶粒沿梯度结构发生形貌改变的原因。

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图7 从β相重建前后a) 100% Ti6Al4V和75% Ti6Al4V/25% Mo界面EBSD取向映射，b) 75% Ti6Al4V/25% Mo和50% Ti6Al4V/50% Mo, c) 50% Ti6Al4V/50% Mo和25%Ti6Al4V/75% Mo, d) 25% Ti6Al4V/75% Mo和100% Mo界面EBSD取向映射。

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在钛合金与其他工程合金的AM中，一个主要的问题是脆性金属间化合物的形成，这很容易导致这些结构的过早失效，甚至在加工过程中。因此，人们做出了许多努力来研究、减少或消除这一问题。为了研究Ti6Al4V-V-SS304L梯度沉积，Reichardt 层根据图8a和B分别设计了两个样品A和B。而A试样和B试样分别在75% V + 25% SS304L和36% V + 64% SS304L区域因开裂而停止制作。EDS地图显示样品表面导致的裂纹边缘(图8c),同时存在铁和钛元素会导致脆性金属间化合物的形成化合物在这个地区由于相邻层的混合非常低,导致高潜在开裂。裂纹表面FeTi金属间化合物的x射线衍射分析证实了这一说法。另一方面,EBSD映射阶段分布(图8 e)和钒的EDS地图(图8 f)从表面裂纹附近的区域1的示例B,分别显示西格玛(σ)的形成脆性阶段和不熔化的钒粉末层接近裂纹夹杂物。

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图8 a)样品a, b)样品b。c) (a) 4区Ti、Fe、V元素浓度的EDS图。d-f) (b) 4区EBSD取向图(欧拉色)、EBSD相分布图和(b) 1区钒浓度的EDS图。

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事实上，在不锈钢中似乎存在一个钒含量的临界值，超过这个临界值就会形成σ相。脆性σ相和未熔化的粉末夹杂，以及过程中的热应力，是导致试样b开裂的重要因素。研究人员利用Fe-V-Cr相图提出了替代梯度路径，以防止σ相的形成。为了防止Ti-6Al-4V -SS316的梯度结构中金属间化合物的形成，Li等考虑了Ti-6Al-4V→V→Cr→Fe→SS316的特殊过渡路径。在基合金之间的这条路径中，首先选择了钒元素，因为它具有与钛β形成稳定固溶的良好能力，而且它与钛的热膨胀系数非常接近。然后选择铬，因为铬在钒中完全固态溶解，最后选择铁，防止SS316的微观结构发生显著变化。各种方法表明，所设计的过渡路径成功地去除了SS316到Ti-6Al-4V之间的脆性金属间化合物。Meng等人利用IN625夹层和激光同步预热制备了从SS316L到Ti6Al4V的FGM，没有形成金属间化合物和开裂。

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为此，根据图9a，分别制备了SS316L/IN625和IN625/Ti6Al4V两个未预热的梯度试样和一个激光同步预热的SS316L/IN625/Ti6Al4V梯度试样，并研究了其沿梯度区开裂行为和微观组织。对SS316L/IN625梯度试样中的裂纹和周围组织的评价(图9b,c)显示了裂纹沿不同取向柱状晶的晶界分布，这显然是凝固裂纹的一个特征。此外，根据裂纹周围析出相的EDS分析结果(图9d,e)，枝晶间区域出现了严重的钼、铌元素偏析，发现低熔点(Nb, Mo)2C共晶相的形成是导致裂纹的原因。另一方面，IN625/Ti6Al4V梯度试样(图9f,g)内裂纹光滑、直的穿晶扩展被认为是冷裂纹特征。EDS分析的结果的基础上也沉淀在裂缝及其与矩阵相分析的结果进行比较(图9 h i),硬和脆阶段形成的铬和molybdenum-rich表示为开裂的主要原因在IN625 / Ti6Al4V梯度样品。而在激光同步预热的SS316L/IN625/Ti6Al4V梯度试样中，由于温度梯度降低导致的热应力降低，偏析相减少，析出相分布更均匀、更精细，避免了裂纹的产生。在另一项研究通过Liu是一个轻量级Ti6Al4V / AlSi10Mg梯度结构,结果表明,化学成分逐渐变化导致微观结构变化层之间由于阶段转换和阶段进化沿着梯度结构如下:

文章来源：《金属功能材料》 网址: http://www.jsgncl.cn/zonghexinwen/2022/0422/763.html