日本京都大学：对Ti-6Al-4V合金中溶质硼原子的细化机制的新见解

　　导读：硼添加可以有效细化铸态α + β钛合金的粗大层片组织，这主要归因于TiB晶须的析出钉扎了原始β晶粒的生长。在这里，我们报道了一种在含有微量硼溶质( 0.02wt . % )的Ti - 6Al - 4V合金中菌落细化的替代机制。利用原子探针层析成像技术，首次发现硼溶质在α / β相界处偏聚，这是由于硼在α相和β相中的溶解度都很小。这些偏聚在α / β相界的硼溶质限制了晶界α的易生长，进而促进了更多晶界α变体的形核，作为α集合体的形核位点。因此，在不形成对材料延展性有害的TiB晶须的情况下，可以显著细化晶粒尺寸。

　　钛及其合金因其高比强度和良好的生物相容性而广泛用于航空航天和生物医学行业。Ti-6Al-4V是一种典型的α+β钛合金，是自发明以来最受关注的合金，在此基础上开发了许多衍生物。Ti-6Al-4V合金的铸造微观结构是一种粗糙的片状微观结构，其特征是通常为几毫米的巨大先前β晶粒尺寸，以及通常为数百微米的大型α菌落尺寸。Ti-6Al-4V合金的粗片状微结构具有低屈服强度，因此需要在α+β两相区域进行热加工，以将粗片状微结构分解成球状/等轴微结构。然而，这一步骤对钛行业来说仍然具有挑战性，反过来又推动了钛产品成本的提高。

　　在没有热加工的情况下改进Ti-6Al-4V合金的铸微结构的替代途径是通过添加其他元素，如硼。硼在钛合金中的溶解度很低，当硼含量超过0.02重量时，通常会形成TiB沉淀物（具有B27正交组织结构）。Sen和Tamirisakandala系统地研究了硼含量对Ti-6Al-4V合金的铸微观结构和相关机械性能的影响。他们报告说，随着硼含量的增加，先前的β晶粒尺寸持续下降，无论硼溶质如何（wt.（B)% ≤ 0.02 wt.%) 或 TiB 胡须 (wt.(B)% ≥ 0.06 重量。%）。相应地，α菌落的大小也得到了实质性的细化，这对大多数机械性能都有好处。先前β晶粒大小（以及α菌落大小）下降的潜在机制主要归因于硼溶质或TiB胡须对β单相区域先前β晶粒生长的固定效应。此外，TiB胡须也可以作为α菌落的成核位点。尽管如此，到目前为止还没有具体的实验证据支持硼原子在之前的β晶界分离的假设，尽管俄歇电子光谱（AES）已经定性地揭示了硼在晶间断裂表面的存在。此外，目前还不清楚微量硼溶质的分离是否会影响晶界α的沉淀行为，α是α菌落的主要成核位点，使它们成为决定α+β钛合金中α菌落大小的关键因素。

　　在这项研究中，京都大学的研究者们首次发现，使用原子探针断层扫描（APT）技术，在含有0.02%硼的Ti-6Al-4V合金中，硼溶质在α/β相边界的分离行为。这一直接的实验证据解释了晶粒边界α变体数量的增加以及未形成TiB晶须的精炼α菌落尺寸，为含有微量硼的钛合金中α菌落尺寸精炼的机制提供了新的见解。相关研究成果以“New insights into the colony refinement mechanism by solute boron atoms in Ti-6Al-4V alloy”发表在Scripta Materialia上。

　　链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359646223001215

　　

　　

　　图1

　　（a）-（c）EBSD IPF+IQ映射β-退火0B、0.02B和0.2B合金中的层状微结构。每个图都显示了测量的平均先前β晶粒尺寸和α菌落尺寸。0B和0.02B合金中先前β晶界的一些示例分别用（a）和（b）中的黑色虚线来说明。（d）-（f）SEM-BSE图像显示了0B、0.02B和0.2B合金中的局部微结构特征。在0.2B合金（f）中，TiB胡须用黄色箭头表示。

　　

　　图2

　　（a）0B样本的一个先前β晶粒内的α菌落的EBSD IPF+IQ地图。晶界α沉淀物由白色虚线勾勒出来并编号。（b）0.02B样本中α菌落的类似微观结构表征。（c）0.02B样本中保留β相的IPF映射，根据该图，先前的β晶界由白点线划定。

　　

　　图3

　　（a）包含α和β相的0.02B APT试样中铝（蓝色）和钒（红色）元素的原子图。（b）硼（灰色）元素的原子图，其中清楚地观察到α/β相位边界处硼原子的分离。（c）铝的8.0 at.%等高面描绘了α/β相位边界，其中显示了分析的圆柱形区域。（d）铝、钒和硼在0.02B试样中α/β相边界的组成轮廓。

　　

　　图4

　　α/β相边界的硼分离对晶界α沉淀行为的影响示意图。（a）Ti-6Al-4V，（b）Ti-6Al-4V-0.02B。在图中，第2阶段、5阶段和第3、6阶段分别表示晶界α沉淀物的成核（较小的过冷，?）和生长过程（较较大的过冷过冷，?）。

　　总之，我们研究了微量硼添加（0.02和0.2 wt.%）对Ti-6Al-4V合金的β-annealed微结构的影响，特别注意没有TiB沉淀的情况，即0.02 wt.%硼。研究发现，即使没有TiB沉淀，与Ti-6Al-4V-0.02B合金（140微米）相比，Ti-6Al-4V-0.02B合金（19微米）的α菌落大小可以大大减少一个数量级，这不仅可以归因于精炼的preciβ晶粒尺寸，还可以归因于晶界α变体数量的增加。在原子探针断层扫描的帮助下，首次发现硼原子在α/β相边界分离，这可以有效地阻碍α沉淀物沿先前的β晶界的容易生长。这有助于促进更多晶界α变体的成核，这反过来又导致Ti-6Al-4V-0.02B合金中精致的α菌落大小。