促进从柱状到等轴过渡和晶粒细化

对于金属增材制造，尤其是钛合金，柱状晶的形成由于会导致机械性能的各相异性，因此一直希 望避免。故促使柱状晶向等轴晶演化(CET)，获得具有各相同性的晶粒细化的等轴晶获得了极大的关 注。获得等轴晶主要通过调节过程参数，例如温度梯度(G)，S/L界面生长速率(R)，冷却速率进行制 造。并且合金成分也是影响等轴晶形成的主要因素。

为了促使CET的发生，过冷液体必须存在于柱状前端之前，以使大部分等轴晶粒形核或使分离的固 体碎片或未熔化的粉末存活和生长。过冷(ΔTCS)溶质产生ΔTCS的速率由生长限制因子Q决定，其中 具有大Q值的溶质快速产生ΔTCS并且被认为是可以提供有效晶粒细化的生长限制溶质。Ti-6Al-4V中 的Al和V溶质不提供ΔTCS (Al和V溶质在Ti 中具有可忽略的Q值)，因此Ti-6Al-4V难以实现CET。

图1实验装置及原理

研究人员探索了合金成分对等轴晶形成的作用。实验发现将钛合金成分由Ti-6Al-4V调整至Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Z，并在该基底中添加La2O3可有效实现晶粒的细化及促进等轴 晶的形成，如图1。

图2热力学条件下沉积的Ti合金显微结构

图3晶粒尺寸—Q曲线

Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Z中La2O3对的存在使晶粒尺寸减小到超过单独溶质效应可实现的水平，因此 ，即使具有较小的Q值也可实现有效的晶粒细化。

图4

来源：M.J.Bermingham, D.H.StJohn, J.Krynen, S.Tedman-Jones, M.S.Dargusch. Promoting the columnar to equiaxed transition and grain refinement of titanium alloys during additive manufacturing, Acta Materialia, 2019, 168, 261.