大連理工大學MC : 激光增材制造Ti6Al4V-Inconel 718梯度材料的界面金屬間相變機制

來源：先進焊接技術

大連理工大學高性能精密制造國家重點實驗室在《Materials Characterization》期刊發(fā)表了一篇名為“Intermetallic phases transition mechanism of the interface of Ti6Al4V-Inconel718 graded material by laser additive manufacturing-激光增材制造Ti6Al4V-Inconel 718梯度材料的界面金屬間相變機制”的論文。本研究采用激光增材制造技術制備Ti6Al4V-Inconel 718梯度材料，根據(jù)金屬間化合物相的類型對兩種材料梯度界面進行劃分，分析界面處不同區(qū)域金屬間化合物相的分布，揭示了合金中主要元素的轉變和各金屬間化合物相的形成路徑、分布和形貌，為調控梯度材料組織結構和中間合金相提供理論指導。研究得到了中央大學基本科研業(yè)務費專項資金和國家自然科學基金的支持。

功能梯度材料是將不同材料的特性組合到同一個組件中，使組件在不同位置具有不同的特性或功能。例如，高超聲速飛行器的姿態(tài)控制柵格翼，要求前段迎風面耐高溫，中、后段比強度高、重量輕。均質材料難以達到強度高、質量輕等復雜使用要求。激光增材制造技術具有較高的制造柔性，在部件可以制備過程中任意改變材料的種類和比例，從而方便地實現(xiàn)梯度材料的制備。同時，由于激光增材制造在部件制造方面提供了高度的靈活性，因此可以實現(xiàn)復雜部件的集成制造。該技術完全可以滿足功能梯度復雜結構的制造需求。鈦合金-高溫合金梯度材料結合了鈦合金的高比強度和高溫合金的耐高溫性能，完全可以滿足姿態(tài)控制柵格翼等關鍵部件的復雜服役要求。

由于Ti6Al4V-Inconel 718梯度材料在連接時產(chǎn)生的Ti2Ni和TiNi等脆性金屬間化合物，會導致界面顯微硬度提高，界面處發(fā)生開裂，限制了其應用。針對這一問題，學者們通過添加過渡層、優(yōu)化添加劑工藝參數(shù)、熱處理等方式減少脆性相的產(chǎn)生，抑制裂紋的產(chǎn)生。目前，對Ti6Al4V-Inconel 718梯度界面金屬間化合物相的類型、形成及轉變機制的研究還不夠深入。兩種材料界面處金屬間相的轉變和分布不清楚。因此，本文采用激光增材制造技術制備了Ti6Al4V-Inconel 718梯度材料，通過熱力學計算預測了界面各區(qū)域金屬間相的種類和含量的變化規(guī)律，分析了Ti6Al4V-Inconel 718梯度界面不同區(qū)域金屬間化合物相的分布，揭示了合金中主要元素Ti、Ni的轉變及金屬間化合物相的形成路徑，對梯度材料中金屬間相的調控提供理論依據(jù)。

主要試驗數(shù)據(jù)如下：

圖 1試樣顯微組織 （a）試樣橫截面；（b）Ti6Al4V區(qū)的顯微組織；（c）Inconel 718的顯微組織；（d）-（e）試樣過渡區(qū)Ⅰ區(qū)的顯微組織；（f）-（g）試樣過渡區(qū)Ⅱ區(qū)顯微組織；

（h）-（i）樣品過渡區(qū)Ⅲ區(qū)顯微組織

圖 2 試樣界面相XRD分析結果

圖 3 過渡界面II區(qū)的TEM分析結果 （a）II區(qū)的微觀結構;（b-c）相應位置的選區(qū)電子衍射;（d-f）微觀結構中紫框區(qū)的元素分布

圖 4試樣Ⅲ區(qū)元素分布結果

圖 5過渡界面Ⅲ區(qū)的TEM分析結果 （a-b）Ⅲ區(qū)不同位置的顯微組織和元素分析結果；（c-f）相應位置的選區(qū)電子衍射

圖 6試樣過渡界面相分布示意圖

圖 7 不同元素含量的Ti6Al4V/Inconel 718復合材料相含量計算結果

圖 8 Ti6Al4V和試樣I區(qū)的顯微組織分析 （a）相分布圖；（b）取向圖；（c）反極圖；（d）KAM圖

主要結論：
在Marangoni效應和材料密度差的作用下，Inconel 718和Ti6Al4V在界面處相互交錯，梯度界面不均勻。Ti6Al4V中含有α-Ti和β-Ti相，在梯度界面附近呈細片狀，并從Ti6Al4V向過渡界面延伸。Inconel 718含有γ和Laves相。Laves相的分布取決于基體γ的枝晶形態(tài)。Inconel 718合金的相變順序一般為L → L + γ → L + Laves + γ。首先，形成γ相。隨著γ枝晶的增多，液相中Mo、Nb、Ti元素的濃度逐漸增大。當達到一定濃度時，發(fā)生L → Laves + γ反應。

根據(jù)金屬間化合物相類型的不同，將梯度界面劃分為三個區(qū)域。隨著Ti元素的減少和Ni元素的增加，Ti2Ni、TiNi和Ni3Ti依次形成。Ⅰ區(qū)的主要相為片狀Ti2Ni，含有少量β-Ti和α-Ti。主相由液相直接形成或由L → β-Ti + Ti2Ni共晶反應形成。與Ti6Al4V相比，區(qū)域I的織構強度明顯減弱，晶粒各向異性增強。同時，由于不同相之間的韌性差異和熱應力的存在，導致了形變失配，使得Ti6Al4V區(qū)與Ⅰ區(qū)的界面處以及部分Ti2Ni相中的KAM值較高。

Ⅱ區(qū)相主要由TiNi、AlNi和少量Ti2Ni組成。TiNi和AlNi是由液相直接生成的，而Ti2Ni主要是通過L + TiNi → Ti2Ni的包晶反應生成。Ⅲ區(qū)主要由Ni3Ti、Fe2Ti相和少量FeTi、γ、FeCr相所組成。首先在液相中形成Ni3Ti和Fe2Ti，然后通過包晶反應L + Fe2Ti → FeTi和共晶反應L → Ni3Ti + γ形成少量FeTi和γ相。此外，Cr元素在局部區(qū)域聚集，形成少量的FeCr相。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matchar.2024.114183