激光粉床熔化（L-PBF）技术是一种典型的金属增材制造方法，具有成型致密度高、力学性能优异、可制备复杂零件和节省材料等诸多传统加工方式无法媲美的优势。Ti-6Al-4V合金由于具有优异的比强度、耐腐蚀性高、生物相容性好等优点，已被广泛应用于增材制造领域。为了进一步提高该合金的力学性能，通过引入微量增强相以及结合适当的热处理来对Ti-6Al-4V合金进行改性是一种有效手段。
近日，来自加拿大McMasterUniversity的Fereiduni等人的最新研究表明，添加微量B4C作为增强相和适当的热处理可以有效调控增材制造Ti-6Al-4V合金的微观组织并显著提升合金的力学性能，相关机理在文中进行了详细分析。相关论文以题为“Unique opportunities for microstructure engineering via trace B4C addiTion to Ti-6Al-4V through laser powder bed fusion process: As-built and heat-treated scenarios”发表于Additive Manufacturing。
论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860421007041?via=ihub
在该项研究中，作者通过优化的L-PBF工艺制备了致密的Ti-6Al-4V合金和Ti-6Al-4V/0.2wt% B4C复合材料，并通过DSC对两种材料的β相变点进行了测试。DSC结果表明微量B4C的引入显著推迟了升温过程中放热峰的到来以及冷却过程中放热峰的宽化，说明Ti-6Al-4V/0.2wt% B4C复合材料的β相变点（1040℃）明显高于Ti-6Al-4V合金（960℃）。
图1Ti-6Al-4V合金和Ti-6Al-4V/0.2 wt% B4C复合材料的DSC测试结果
在测得两种材料的β相变点之后，对两种材料在亚临界区及β单相区分别进行了退火，以探明B4C在热处理过程中对Ti-6Al-4V合金组织演变的作用机理。研究发现，与常规的Ti-6Al-4V合金截然不同的是，在β单相区进行退火后，Ti-6Al-4V/B4C复合材料内部出现了完全等轴的α晶粒，如图2所示。此外，该类等轴组织的Ti-6Al-4V/B4C具有极佳的综合力学性能，获得了良好的强度和塑性的结合。该现象被归因于Ti-6Al-4V/B4C复合材料中的针状TiB相有效限制了α相的生长。此外，针状TiB相也避免了冷却过程中有害的晶界α相网状结构的形成。
图2Ti-6Al-4V/0.2 wt% B4C复合材料β固溶处理后的等轴α晶粒
最后，文中对Ti-6Al-4V合金和Ti-6Al-4V/0.2wt% B4C复合材料的各种强化机制进行了定量统计，并与实测值进行了比较。证明了B4C的加入对Ti-6Al-4V合金的强度贡献主要来源于Hall-Petch细晶强化效应以及C原子的固溶强化效应。此外，TiB相带来的载荷传递作用以及位错强化也对Ti-6Al-4V/B4C复合材料的强度具有一定增强作用，如图3所示。
图3 Ti-6Al-4V合金和Ti-6Al-4V/0.2wt% B4C复合材料的强化机制统计
总的来说，本文研究表明，通过引入适量增强相并结合适当的热处理可以有效提高Ti-6Al-4V合金的综合性能。此外，此项工作说明针对Ti-6Al-4V合金的热处理工艺并不适用于钛基复合材料。即β热处理是提高Ti-6Al-4V/B4C复合材料综合力学性能的有效手段。研究结果对拓宽钛合金及钛基复合材料在增材制造领域的应用具有重要价值。（文：苏金龙）
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