摘要

这项工作介绍了原位合成TiB/Ti6Al4V-ELI复合材料的微观结构研究，该复合材料是用激光金属沉积(LMD)增材制造(AM)技术制造的。在质量沉积体积为5%的Ti6Al4V-ELI中加入TiB2制备了单径迹样品，并对其微观结构和硬度进行了表征。发现原位反应促进了TiB晶须在马氏体α′基体中形成针状晶须的准连续网状组织。此外，由于热传播方向的不同，制备的TiB/Ti6Al4V-ELI呈现出两种不同的晶粒生长形态，在样品的顶部和底部分别观察到较小和较大的TiB网状晶粒。试样顶部硬度为513 HV，由于晶粒长大，试样底部硬度降至483 HV。

图形抽象

介绍

包括Ti6Al4V在内的钛合金具有低密度、高比强度、生物相容性和优异的耐腐蚀性等优良性能，广泛应用于航空航天和生物医学等领域[1,2]。Ti6Al4V具有六方封闭堆积(hcp) α相和体心立方(bcc) β相的双相组织[3]。然而，Ti6Al4V的低使用温度(~ 300°C)是限制其在高温应用中的潜在应用的一个重要参数[4,5]。近年来，大量的研究集中在设计具有独特结构和理想高温性能的先进复合材料上。这导致了钛基复合材料(tmc)的发展。tmc是通过将钛基体与TiB、TiC、B4C、WC、SiC、TiB2、TiN等硬质陶瓷材料合金化来提高钛合金的性能[6,7]。

在增强材料中，原位合成TiB和TiC因其与钛基体的良好相容性而被认为是合适的增强材料选择[8,9]。最近的文献表明，在tmc微观结构中调整钢筋的网络分布可以提供有希望的机械性能，包括提高强度和优异的高温耐久性，同时保持良好的拉伸伸长率[7,10]。力学性能的改善与增强材料的空间网络分布及其长度尺度直接相关。这是通过从软钛基体到硬增强陶瓷颗粒的有效载荷传递来实现的，从而在高温下获得更高的极限强度和抗蠕变能力[10,11,12]。虽然传统的制造方法已被证明对tmc制造商来说是成功的，但加工时间长、模具成本高以及后处理过程的需求等因素仍然是一个挑战[1,5]。

作为替代方案，激光金属沉积(LMD)是一种增材制造(AM)技术，它使用激光束在金属基材表面形成熔池，通过气流注入金属粉末并将其熔化，从而逐层产生三维(3D)金属零件[13]。利用激光技术制造的tmc的显微组织和力学性能的文献仍然缺乏，并且正在开发中。因此，在本研究中，使用LMD制备TiB/Ti6Al4V-ELI复合材料，使用Ti6Al4V-ELI和TiB2粉末。利用LMD制备tmc的研究越来越受到工程界和科学界的关注，目前的研究主要集中在微观组织演变和力学性能方面。然而，用LMD制备的tmc的微观结构仍有待进一步研究。因此，研究用LMD制造的TiB/Ti6Al4V的网络微观结构以拓宽对高温应用的理解是很重要的。采用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)和维氏显微硬度对LMD制备的TiB/Ti6Al4V-ELI复合材料的网状组织和硬度性能进行了研究。

材料与方法

材料

采用粒径分布(PSD)为45 ~ 100µm的23级ti6al4v -特低间隙(ELI)和PSD为45 ~ 100µm的TiB2粉末进行沉积。Ti6Al4V-ELI和TiB2粉末的SEM图像如图1所示。

粉末的SEM图像，a Ti6Al4V-ELI和b TiB2

Ti6Al4V-ELI颗粒呈球形，光滑(图1a)。相反，TiB2颗粒呈不规则形状，如图1b所示。将样品沉积在Ti6Al4V衬底上，进行喷砂处理，为沉积做准备。

方法

在LMD机器上制造了约40毫米的单轨样品。LMD系统与波长1073 nm的IPG光纤激光器耦合，并与KUKA机器人和3路喷嘴集成。采用GTV制粉系统(D-57629)，配备两个进粉料斗，通过载气输送粉体。Ti6Al4V-ELI的沉积体积为95%，而TiB2的沉积体积为5%。沉积过程中，载粉气设定为1.5 l/min。氩气作为保护气体，气体流速为15l /min，防止样品氧化。在激光功率为1500 W、扫描速度为0.5 m/min、光束直径为2mm的条件下，保持其他工艺参数不变。

样品制备与表征

按冶金标准制备后，用克罗尔试剂刻蚀，观察微结构。采用Olympus BX51M光学显微镜和Joel JSM-6010PLUS/LA扫描电镜观察微观组织。硬度测量使用Matsuzawa Seiko Vickers型号MHT-1显微硬度机，施加300 gf的力，停留时间为10 s。

目录

摘要
介绍
材料与方法
结果
讨论
结论
数据可用性
参考文献
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结果

微观结构

图2分别给出了TiB/Ti6Al4V样品顶部、中部和底部的整体OM和SEM微观结构。

样品在不同部分的显微结构，a整体单轨道，b顶部，c中部和d底部

从图2a可以看出，沉积的TiB/Ti6Al4V-ELI单轨样品没有任何明显的缺陷，如裂纹、空洞或未熔化的颗粒。然而，在靠近界面处观察到较小的球形孔隙，如图2a所示。这些孔隙的形成归因于沉积过程中熔池中的气体圈闭[7]。此外，样品在顶部和底部表现出明显不同的显微组织特征。为了对微观结构进行详细研究，在顶部、中部和底部进行了SEM，得到的微观结构如图2b-d所示。从图2a可以看出，试样顶部断面的显微组织为由完全针状马氏体α′相组成的基体。马氏体α′相的形成是由于样品在LMD过程中经历了高冷却速率，可高达~ 103-106 K/s[14,15]。事实上，在样品冷却后，马氏体α′相通过无扩散过程由β相转变而来[16]。根据Ahmed等人的研究[17]，在20-410℃/s的特定冷却速率范围内，形成马氏体α′相。在LMD制备的Ti6Al4V的其他研究中也报道了相同类型的马氏体α′组织[13,18,19]。众所周知，马氏体组织可以促进强度的提高，但以牺牲延展性为代价[19]。在这种情况下，可以通过热处理等后处理技术将马氏体α′相转变为稳定的α + β相来提高塑性[3,20]。

在马氏体基体内，原位合成TiB相呈准连续网状结构，如图2c所示。TiB相的形成是由于在加工过程中熔融钛与TiB2发生了原位反应，定义为反应1 [11]:

（1)

反应1解释了TiB在样品微观结构上的存在(图2c)，而不是TiB2。此外，必须注意的是，反应1是一个放热过程，其生成的吉布斯自由能为- 10 kcal/mol，其中负号表示TiB的自发生成[21,22]。图2c显示原位形成的TiB呈针状须状。文献中也报道过类似的针状TiB晶须[23,24]。根据Ma等[25]，当钛基体中硼(B)含量低于50 at时。%，可以形成具有正交晶型结构的TiBw，以针状短须的形式生长。此外，必须注意的是，TiB晶须的网状结构是在钛基体的母体β相的晶界处形成的。TiB在β晶界处的形成是由于高激光能量照射Ti6Al4V和TiB2粉末导致初级β相成核，在凝固过程中从液相长大，在熔池表面中心边缘之间形成陡峭的热梯度，形成表面张力梯度并产生Marangoni流动[7,26]。相反，Pan等人[27]将晶界处准连续TiB的形成归因于高冷却速率和B在钛基体中的低溶解度。据报道，这种类型的组织可以提高室温下的拉伸强度和延展性[12]。

从图2d可以看出，中间的微观结构与顶部的相似。从图2e可以明显看出，制备的TiB/Ti6Al4V-ELI样品在底部显示出不同的晶粒生长形态。由于该区域主要受热影响(热影响区)，因此观察到的TiB网络结构晶粒较大，如图2c, f所示。晶粒尺寸的增大是由于该区域的高热输入和缓慢冷却促进了晶粒长大[3]。Wang等人[28]对LMD制备的Ti6Al4V合金也有类似的观察。Wang等人[28]认为，样品底部的晶粒生长与两个因素有关，即优异的高温热力学稳定性，以及样品冷却时晶粒从母晶直接外延生长。必须注意的是，由于高凝固速率，即使有晶粒生长，基体仍保持马氏体α '(图2e)。

硬度

样品顶部、中部和底部的硬度值如表1所示。

样品顶部硬度最高，达到513 HV，如表1所示。高硬度是由于马氏体α′和TiB的存在，这两种物质都是硬的[3,11]。样品的硬度从顶部到中部略有下降，为503 HV，这是由于这两个区域的显微组织相似。硬度明显下降到底部的483 HV(表1)。硬度的下降是由于在样品的微观结构上观察到晶粒长大(图2d)[29]。根据Hall-Petch关系，硬度(HV)与晶粒尺寸(d)的关系可由式2给出[29]。

（2）

式中，HV0和ky分别为无晶粒材料的硬度和硬化系数的材料常数。

讨论

LMD过程中的高冷却速率影响了TiB/Ti6Al4V-ELI复合材料的微观组织，从而促进了马氏体α′基体的形成(图2d)，该基体不稳定，导致了较强的组织各向异性。马氏体α′相强度增大，但塑性较低。此外，高冷却速率还会导致高残余应力集中，从而导致不可预测的疲劳失效和应力腐蚀裂纹[7,21]。通过钛和TiB2的原位反应(反应1)，TiB网络结构在β-晶界上的形成和分布也影响了LMD TiB/Ti6Al4V- eli的微观结构。更准确地说，原位反应发生在球形Ti6Al4V颗粒表面，导致TiB网络在晶界处的浓度。Huang等[12]认为TiB/Ti6Al4V网状组织相当于等轴晶，TiB形成于β晶界上。网状结构的形成机理如图3所示。

网络微观结构形成示意图

从图3中可以清楚地看出，由于熔池边缘之间陡峭的热梯度产生的高表面张力，TiB晶须最好在β-Ti的边界上形成[20]。具有网状结构的TiB/Ti6Al4V有利于高温力学性能和增强抗氧化性，从而防止晶界软化[12]。利用烧结方法，Huang等人报道了具有网状结构的TiB/Ti6Al4V在600°C下的强度提高。这种强化效果是由于针状TiB晶须在基体和强化体之间形成了强大的网络边界。采用激光工程网状成形(LENS)技术制备了类似TiB的网状结构[26]。

结论

本文采用激光金属沉积法制备了含5%体积TiB2的单径TiB/Ti6Al4V-ELI复合材料样品，以了解其在高温应用中的新型网络显微组织特征和硬度性能。复合材料的整体基体为完全马氏体α′，在钛晶界上形成了准连续的原位合成TiB晶须网络。在样品的顶部和底部观察到两种不同的晶粒生长形态，由于这些区域的冷却速度较慢，在靠近基体的底部形成较大的晶粒。随着试样底部晶粒尺寸的增大，硬度明显降低至483 HV;Hall-Petch关系。据我们所知，这项工作的新颖之处在于，与广泛报道的传统制造方法相反，LMD技术首次实现了一种新的网络微观结构。

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