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Ti6Al4V由于其在低溫下具有高比強(qiáng)度，優(yōu)異的生物相容性和優(yōu)異的損傷耐受性（斷裂韌性，疲勞裂紋生長(zhǎng)速率）而已廣泛應(yīng)用于航空航天應(yīng)用，醫(yī)療和石化類型的設(shè)備。鈦和鈦合金應(yīng)用中最具挑戰(zhàn)性的問(wèn)題之一是由于其低熱導(dǎo)率和加工過(guò)程中的加工硬化問(wèn)題而固有地限制了制造方法。因此，近凈成形增材制造技術(shù)有望用于生產(chǎn)這種合金，尤其是具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的合金。
氫脆（HE）是鈦和鈦合金從制造過(guò)程到服務(wù)環(huán)境的長(zhǎng)期問(wèn)題，當(dāng)超過(guò)臨界濃度時(shí)，氫氣將導(dǎo)致其機(jī)械性能和持久性能嚴(yán)重惡化。氫與傳統(tǒng)方法生產(chǎn)的 Ti6Al4V 合金的相互作用已被許多研究人員廣泛研究，相關(guān)的HE行為取決于許多因素，即相組成、晶粒尺寸和表面狀態(tài)。與鑄造對(duì)應(yīng)物相比，增材制造(AM)生產(chǎn)的零件的微觀結(jié)構(gòu)通常更精細(xì)，并且由于快速反應(yīng)，會(huì)存在亞穩(wěn)態(tài)和非平衡成分。
因此，這些AM零件上的HE行為應(yīng)該不同于傳統(tǒng)制造的零件，即鑄造和鍛造工藝。例如，Baek等人證實(shí)與傳統(tǒng)制造的不銹鋼相比，AM304 L 不銹鋼的HE靈敏度較低，這是由于較高的奧氏體穩(wěn)定性和來(lái)自細(xì)胞位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的較低氫擴(kuò)散系數(shù)；這種新穎的子結(jié)構(gòu)與逐層快速凝固過(guò)程中的內(nèi)在熱循環(huán)以及周圍的約束有關(guān)。我們之前的研究還表明，與傳統(tǒng)制造的零件相比，AM鋼應(yīng)具有更高的抗H 誘導(dǎo)腐蝕能力。然而，關(guān)于氫與AM鈦合金的相互作用以及氫進(jìn)入時(shí)的機(jī)械響應(yīng)的研究有限。因?yàn)榭焖倌痰娘@微組織沒(méi)有顯露出來(lái)。
最近，Metalnikov等人證實(shí)在電化學(xué)和氣體充氫后，在電子束粉末床熔合(PBF-EB)Ti6Al4V合金（層狀 α β 結(jié)構(gòu)）上形成氫化物，氫化后樣品表面沒(méi)有觀察到裂紋，表明改進(jìn)的與傳統(tǒng)制造部件相比的HE電阻（等軸和層狀區(qū)域的雙峰微觀結(jié)構(gòu)）有所改善。此外，由于氫侵入下的顯微組織細(xì)化和二次相析出物的形成，進(jìn)一步證實(shí)了 PBF-EB Ti6Al4V 的耐磨性降低和硬度增加。這些現(xiàn)象表明HE行為受到鈦合金初始微觀結(jié)構(gòu)的顯著影響。對(duì)于通過(guò)激光束粉末制造的 Ti6Al4V床融合（PBF-LB1），微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出幾乎完整的α/α′相并且沒(méi)有與氫環(huán)境中的機(jī)械響應(yīng)以及后熱處理效應(yīng)相關(guān)的現(xiàn)有文獻(xiàn)。
為此，上海交通大學(xué)朱國(guó)良和北京科技大學(xué)董朝芳教授等人采用PBF-LB法制備了Ti6Al4V樣品，并對(duì)一些樣品進(jìn)行了熱處理以產(chǎn)生不同的微觀結(jié)構(gòu)，并比較研究了這兩種材料條件下的HE行為。HT工藝引入的β相吸引了更多的氫氣進(jìn)入，并且脆性氫化鈦與TDS，XRD，EBSD和TEM測(cè)試驗(yàn)證的α/β界面一起發(fā)生。結(jié)果，微空隙優(yōu)先在α/β界面（大β相或三β界面結(jié)點(diǎn)）處啟動(dòng)，并在塑性變形下聚結(jié)成微裂紋。在相同的H充填條件下，HT PBF-LB Ti6Al4V的延展性損失較大，氫化β相的晶格膨脹在α/β相邊界附近引入局部應(yīng)力場(chǎng)，導(dǎo)致塑性變形過(guò)程中氫氣的加工硬化速率增加，但最終通過(guò)形成脆性鈦氫化物來(lái)幫助氫化合金的快速失效。
相關(guān)研究以題“Heat treatment effects on the hydrogen embrittlement of Ti6Al4V fabricated by laser beam powder bed fusion”發(fā)表在金屬頂刊Additive Manufacturing上。
鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2214860421007272
氫脆（HE）是鈦和鈦合金從制造過(guò)程到服務(wù)環(huán)境的長(zhǎng)期問(wèn)題，當(dāng)超過(guò)臨界濃度時(shí)，氫氣將導(dǎo)致其機(jī)械性能和持久性能嚴(yán)重惡化。氫與傳統(tǒng)方法生產(chǎn)的 Ti6Al4V 合金的相互作用已被許多研究人員廣泛研究，相關(guān)的HE行為取決于許多因素，即相組成、晶粒尺寸和表面狀態(tài)。與鑄造對(duì)應(yīng)物相比，增材制造(AM)生產(chǎn)的零件的微觀結(jié)構(gòu)通常更精細(xì)，并且由于快速反應(yīng)，會(huì)存在亞穩(wěn)態(tài)和非平衡成分。
因此，這些AM零件上的HE行為應(yīng)該不同于傳統(tǒng)制造的零件，即鑄造和鍛造工藝。例如，Baek等人證實(shí)與傳統(tǒng)制造的不銹鋼相比，AM304 L 不銹鋼的HE靈敏度較低，這是由于較高的奧氏體穩(wěn)定性和來(lái)自細(xì)胞位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的較低氫擴(kuò)散系數(shù)；這種新穎的子結(jié)構(gòu)與逐層快速凝固過(guò)程中的內(nèi)在熱循環(huán)以及周圍的約束有關(guān)。我們之前的研究還表明，與傳統(tǒng)制造的零件相比，AM鋼應(yīng)具有更高的抗H 誘導(dǎo)腐蝕能力。然而，關(guān)于氫與AM鈦合金的相互作用以及氫進(jìn)入時(shí)的機(jī)械響應(yīng)的研究有限。因?yàn)榭焖倌痰娘@微組織沒(méi)有顯露出來(lái)。
最近，Metalnikov等人證實(shí)在電化學(xué)和氣體充氫后，在電子束粉末床熔合(PBF-EB)Ti6Al4V合金（層狀 α β 結(jié)構(gòu)）上形成氫化物，氫化后樣品表面沒(méi)有觀察到裂紋，表明改進(jìn)的與傳統(tǒng)制造部件相比的HE電阻（等軸和層狀區(qū)域的雙峰微觀結(jié)構(gòu)）有所改善。此外，由于氫侵入下的顯微組織細(xì)化和二次相析出物的形成，進(jìn)一步證實(shí)了 PBF-EB Ti6Al4V 的耐磨性降低和硬度增加。這些現(xiàn)象表明HE行為受到鈦合金初始微觀結(jié)構(gòu)的顯著影響。對(duì)于通過(guò)激光束粉末制造的 Ti6Al4V床融合（PBF-LB1），微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出幾乎完整的α/α′相并且沒(méi)有與氫環(huán)境中的機(jī)械響應(yīng)以及后熱處理效應(yīng)相關(guān)的現(xiàn)有文獻(xiàn)。
為此，上海交通大學(xué)朱國(guó)良和北京科技大學(xué)董朝芳教授等人采用PBF-LB法制備了Ti6Al4V樣品，并對(duì)一些樣品進(jìn)行了熱處理以產(chǎn)生不同的微觀結(jié)構(gòu)，并比較研究了這兩種材料條件下的HE行為。HT工藝引入的β相吸引了更多的氫氣進(jìn)入，并且脆性氫化鈦與TDS，XRD，EBSD和TEM測(cè)試驗(yàn)證的α/β界面一起發(fā)生。結(jié)果，微空隙優(yōu)先在α/β界面（大β相或三β界面結(jié)點(diǎn)）處啟動(dòng)，并在塑性變形下聚結(jié)成微裂紋。在相同的H充填條件下，HT PBF-LB Ti6Al4V的延展性損失較大，氫化β相的晶格膨脹在α/β相邊界附近引入局部應(yīng)力場(chǎng)，導(dǎo)致塑性變形過(guò)程中氫氣的加工硬化速率增加，但最終通過(guò)形成脆性鈦氫化物來(lái)幫助氫化合金的快速失效。
相關(guān)研究以題“Heat treatment effects on the hydrogen embrittlement of Ti6Al4V fabricated by laser beam powder bed fusion”發(fā)表在金屬頂刊Additive Manufacturing上。
鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2214860421007272
圖1.（a）用于PBF-LB工藝的粉末的尺寸分布和插入的圖像是粉末的掃描電鏡，（b）本工作中使用的PBF-LB Ti6Al4V的詳細(xì)印刷參數(shù)以及從印刷體中切割的拉伸樣品的示意圖，（c）印刷對(duì)應(yīng)物的最終化學(xué)成分
圖 2.我們工作中的實(shí)驗(yàn)步驟示意圖和拉伸試驗(yàn)重復(fù)了三次，以提高可靠性
圖3.IPF+IQ映射和相位映射（a，b）1- c2）AS和（c，d1- e2HTPBF-LBTi6Al4V，（a，c）中的破折號(hào)表示先前β相界;（b）中α ?/α相的厚度3）AS和（d3）HTPBF-LBTi6Al4V
圖 4.具有不同放大倍率的（a，b）AS和（c，d）HT PBF-LB Ti6Al4V、（e）HT PBF-LB Ti6Al4高分辨率 IPF+IQ 圖譜的BSE結(jié)果，箭頭表示在 HT 過(guò)程中邊界分裂形成凹槽
圖5.AS和HT PBF-LB Ti6Al4V合金在?1 mA/cm進(jìn)行H充電后的氫氣解吸速率與加熱溫度的關(guān)系296 h，升溫速率為6°C/min
圖6.在96 h-H充電之前和之后（a）AS和（b）HT PBF-LB Ti6Al4V的XRD模式中，應(yīng)該注意的是，由于氫擴(kuò)散系數(shù)低，樣品表面的鈦氫化物含量將高于內(nèi)部。
圖7. （a，b）AS 和（d，e） HT PBF-LB Ti6Al4V的工程應(yīng)變/應(yīng)力和真實(shí)應(yīng)變/應(yīng)力（硬化速率）曲線（帶H充電和不帶H充電），相關(guān)放大的真實(shí)應(yīng)變-應(yīng)力曲線和應(yīng)變硬化速率曲線分別顯示在 （c）和（f）中。應(yīng)變率為1×10?4s
圖8.（a） 使用和不帶 H 充電的情況下，工程應(yīng)變分布與故障前最后一幀的應(yīng)變距離的關(guān)系：（a） AS 和 （b） HT PBF-LB Ti6Al4V，插值是失效前最后一幀的應(yīng)變圖
圖9.對(duì)于（a，b）AS和（c，d）HT PBF-LB Ti6Al4V，在拉伸試驗(yàn)（96小時(shí)）下，有和不帶H充注（96小時(shí)）的裂縫側(cè)視圖，（d）中的箭頭表示裂縫附近的微裂紋
圖10.（a） AS PBF-LB Ti6Al4V用H充填（96 h）拉伸試驗(yàn)后斷裂的側(cè)視圖及相關(guān)EBSD結(jié)果：（b， c 1） 具有不同放大倍率的 IPF+IQ 映射，（c2）KAM + IQ映射和（d）沿著（c）線的錯(cuò)誤定向演變1).掃描步驟為40 nm
圖11.(a,d)HT PBF-LB Ti6Al4V 用 H 充填(96 h)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)后裂縫的側(cè)視圖以及相關(guān)的EBSD結(jié)果:(b)IPF+IQ 圖、(c)KAM+IQ 圖和(d)Phase+IQ 圖。掃描步驟為40 nm
圖 12.透射電鏡圖像和相關(guān)衍射圖：1） 未充電 AS PBF-LB Ti6Al4V， （b1-乙3） 96 小時(shí) H 充電 AS PBF-LB Ti6Al4V 具有約 3% 的應(yīng)變;（丙）1，c2） 未充電 HT PBF-LB Ti6Al4V，（d1-d6） 96 小時(shí) H 充電 HT PBF-LB Ti6Al4V，應(yīng)變約 3%，（d6） 是暗場(chǎng)視圖
圖 13.AS PBF-LB Ti6Al4V （a）H充注前和（e）后裂縫形態(tài)的宏觀，以及詳細(xì)的裂縫形態(tài)：（b，c）（f，g）具有不同放大倍率的裂縫形態(tài)，（d，h）裂縫中心處的凹陷形態(tài)
圖14.HT PBF-LB Ti6Al4V合金不同放大倍率的宏觀和詳細(xì)斷裂形態(tài)：（a-d）在H充注之前和（e-h）之后，黃色箭頭表示β相，紅色箭頭表示α/β界面處的微裂紋
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