本文讨论了钛合金中添加合金在增材制造（AM）中的使用，其具体目标是生产等轴微观结构。这些添加物是增加冻结范围的那些，当与AM相关的快速冷却速率相结合时，会产生显著的溶剂过冷结果，因此可以有效地诱导柱状到等轴过渡（CET）。

首先，计算热力学已被用于提供预测这些添加的简单图形方法;该方法已被用于探索Ti-6Al-4V（Ti64）合金中Ni和Fe的添加。其次，已经开发了一种实验方法来确定影响CET所需的这些合金元素的最低浓度，涉及梯度构建。

第三，发现在Ti64中添加Fe会导致该合金从α/β的Ti合金转变为亚稳β-Ti合金，而Ni的添加不会产生相同的结果。Ti合金类型的这种变化导致使用热处理的这些成分改性合金的微观结构发展存在显著差异。最后，硬度测量已用于对这些改性合金的机械响应进行初步评估。

最近，有关增材制造（AM）应用于金属合金（近）净形部件生产的文献引起了相当大的兴趣。在各种结构金属材料中，Ti合金受到广泛关注，不仅因为这种加工路线的吸引力，还因为AM加工的印刷高性能Ti合金往往没有裂纹。

然而，这种合金的AM存在一个缺点，即倾向于形成粗柱状晶粒，在构建方向上对齐。这些粗颗粒不像高性能应用的优化微观结构，并且还赋予印刷组件相当大的纹理，这驱动了不对称的机械响应，这通常不是期望的。

似乎有四种方法被用来避免AM沉积合金中不希望的微观结构特征。第一种涉及使用加工参数的变化，以使点热源能够控制微观结构，例如在合金IN-718中;这种微观结构控制手段相当耗时。第二种方法是利用添加孕育剂来控制凝固，例如用于优化高强度铝合金微观结构的那些。

这种方法已经在添加硼和镧的钛合金中得到证明，但是，会产生金属间化合物的形成问题，这可能会限制机械性能，特别是在疲劳时。第三种方法使用合金添加物来实现凝固模式的改变。这种方法的一个例子涉及用于3D打印的周晶钛合金。

在这个例子中，打印了Ti-La和Ti-Fe-La合金，所得的微观结构由细长和曲折的α晶粒和一些细化的等轴晶粒组成。第四种方法使用稀合金添加物来产生等轴晶粒形态。稀添加物的作用是增加Ti合金的冷冻范围，以促进溶解过冷，这与AM相关的相当快的冷却速率相结合，可能导致CET。

亨特和许多其他人一样，已经证明了增加冻结范围在等轴晶粒生长中的重要性。可以参考一些关于添加这种溶质添加结果的报告。因此，例如，据报道，在粉末的激光沉积过程中，与β-共析稳定剂以足够的浓度形成合金化会导致等轴微观结构。

在该工作中，共析稳定剂的选择是基于随着将这些元素添加到Ti中的冷冻范围的增加。在最近的一份报告中，张等人研究了铜作为纯钛中的合金元素，以在增材制造过程中实现细的等轴晶粒。铜被选为合金元素，因为它能够在凝固过程中提供基于铸件生长限制理论的宪法过冷。

这一理论，引用自伯明翰等人的早期工作，识别二元钛合金中具有生长限制因子Q的溶质，这将促进更细的等轴晶粒尺寸。钛的金属间形成2Cu在792°C以下迅速发生，不能用水淬火抑制。这可以防止使用热处理在Ti-Cu合金中产生不含这些金属间化合物的微观结构。

在最近的另一篇论文中，Simonelli等人研究了与铁的合金化，以减少激光粉末床融合中Ti-6Al-4V（Ti64）中发现的典型各向异性。选择铁作为合金元素，其原理与用于识别铜作为潜在合金元素的原理相同，因为它的生长限制因子Q，并且在β相中的溶解度相对较高。

铁也被选为Ti-6Al-4V的合金元素，因为缺乏伴随许多其他溶质添加的脆性金属间形成。因此，虽然热力学规定TiFe金属间化合物应该出现在Ti-Fe合金体系中，但涉及成核活化能的其他因素可能具有一定程度，使得可以避免或延迟该相的成核。

还提到了对Mo，Cr，B，La和Y的研究，它们形成不利的金属间化合物或不溶性颗粒，导致不良的微观结构。关于β同构合金元素的使用，门多萨等人。发现添加大约25 wt pct W导致AM期间的微观结构精细化，但合金密度显着增加。

似乎在钛合金中添加合金，增加合金的冻结范围，可能是在AM粉末沉积过程中诱导CET的有效方法，其中由于大冻结范围以及与AM相关的快速冷却速率，可以实现β晶粒成核前的显着程度的过冷。为了能够将这种方法充分利用于工程合金，有许多问题需要解决。

首先，关于方法本身，是否有可能采用计算热力学（例如CALPHAD或PANDAT）来识别那些增加给定合金冻结范围的合金添加物？其次，虽然在上面提到的论文中已经提供了证据，证明CET确实伴随着给定合金元素的添加，但尚未表明观察到的影响仅仅是由于合金化，而不是部分由于其他影响。

第三，在使用这种合金化方法的高性能钛部件的应用方面，期望打印部件将表现出适合应用的微观结构是不合理的。因此，预计虽然等轴晶粒的存在将是一个吸引人的特征，但α相和β相的分布以及可能的金属间化合物（取决于合金添加）将需要通过热处理来优化。因此，需要评估这些合金对热处理的反应。本文所依据的研究旨在解决这些不同的问题。

预合金粉末和成分分级合金使用定向能量沉积方法沉积，这是俄亥俄州立大学的Optomec LENS™系统。使用的各种粉末列于表I中。OSU LENS™ 系统配备一个惰性气体（Ar）手套箱、两个送粉器和一台 IPG 500 W 光纤激光器。以10 W（波长为350.1 μm）的激光功率沉积直径为07 mm的圆柱形试样，行进速度为每分钟500 mm，氧含量低于10 ppm。

扫描策略是连续相邻分层，在相邻层之间旋转扫描60度。舱口间距为 0.38 毫米，Z 偏移为 0.25 毫米。为了制造成分分级合金，第一个送粉器包含基础合金（即Ti64），第二个粉末进料器包含改性合金（例如Ti64 + 5Fe）的混合物;所有作品均采用WT PCT。

沉积从第一个最佳流速为100 pct的送粉器和第二个最佳流速为0 pct的送粉器开始。在沉积过程中，第一台送粉机的流速每6 mm降低7.1 pct，而第二台送粉机的流速每6 mm增加7.1 pct。渐变沉积的总高度约为 25 mm。用于微观结构表征的样品平行于构建方向进行切片。

作为热处理研究的一部分，使用电弧熔机生产所需成分的按钮。电弧熔胶机在氩气分压下运行，以避免铝过度蒸发。每个按钮熔化六次，每次熔化后翻转以确保均匀性。在可能的情况下，使用母合金作为原材料，以减少潜在的偏析。

使用传统的抛光程序制备样品进行硬度测试和微观结构表征。硬度测量按照ASTM E18-20中规定的洛氏C进行。英斯特朗机器使用150 kgf大负载，压头在每次测试前都经过标准样品认证。使用配备X射线能量色散光谱（XEDS）的Apreo（赛默飞世尔科技）扫描电子显微镜（SEM）和电子背散射衍射（EBSD）探测器进行微观结构表征。

关于EBSD分析，使用皮尔恰克开发的软件进行β重建。使用Nova NanoLab™双光束FIB制备用于（扫描）透射电子显微镜（（S）TEM）上的高角度环形暗场（HAADF）成像的样品，并在像差校正的Titan中检查3™ G2 60-300 （S）透射电镜。表征是在俄亥俄州立大学的电子显微镜和分析中心（CEMAS）进行的。

为了说明目前进行研究的主要问题，首先使用LENS™工艺沉积CP-Ti粉末。沉积材料的显微照片如图1所示。在图1（a）中，显示了SEM中记录的背散射电子图像，产生了与构建方向对齐的粗柱状晶粒的相当弱的对比度。为了证实这一观察结果，在图1（b）中，使用EBSD获得的反极图（IPF）图证实了柱状颗粒的粗糙性质，图1（c）显示了与（a）中相同的图像，但标记了晶界。与Ti合金大多数结构应用的优化微观结构相比，正是这种晶粒形态被认为是不利的，因此需要开发溶液。

本研究中用于鉴定候选合金元素的主要指标是它们对预测冻结范围的影响。因此，选择的元素显示出在有限的溶质添加量下扩大冷冻范围的能力增强。这遵循与生长限制因子相同的现象学理论，但很容易扩展到二元钛合金之外，例如Ti64的补充。

应该注意的是，用于预测CET的其他更复杂的模型需要很难获得的热物理材料特性，对于通常包含许多合金元素的工程合金尤其如此。因此，应用CALPHAD方法来研究合金元素对凝固范围的影响。在图2（a）和（b）中，分别显示了CALPHAD对Ti-Ni和Ti-Fe合金冻结范围变化的预测结果。

从这些相图中可以看出，Ni和Fe都显着增加了冻结范围，因此对于这些添加，可以预测它们在加工过程中应该比基础合金更容易产生CET。这些预测已经过实验验证。因此，图3（a）显示了Ti-6Fe的LENS™沉积的典型微观结构，其中产生了等轴晶粒结构，而不是图1中观察到的柱状微观结构。

在图3（b）所示的EBSD-IPF图中可以清楚地看到这种颗粒形态，从这些EBSD测量中推断出的极点数字表明，产生的纹理有些随机（图3（c））。Ti-Ni（此处未显示）的结果基本相同，即添加Ni，其显示增加的预测冻结范围，在凝固过程中也诱导了CET。

相比之下，在二元Ti-Mo合金中，CALPHAD预测这种合金元素对二元Ti-Mo合金中冻结范围的影响非常有限。因此，基于这一预测，Ti-Mo二元合金有望形成类似于纯钛的典型柱状微观结构。实验上确实如此，在沉积的Ti-9Mo中观察到粗大的柱状微观结构。

本文报道了涉及使用合金添加物优化AM加工的高性能Ti合金的微观结构的研究结果。计算热力学（CALPHAD）已被用于预测合金添加对钛合金冻结范围的影响。据预测，与Fe和Ni的合金化将增加冻结范围，因此在AM加工过程中应该发生CET，随之而来的是快速的冷却速度。这在实验中得到了证实。相比之下，Mo的添加预计对冷冻范围的影响非常小，因此预计在AM处理过程中不会产生CET，这也在实验中得到证实。

已经引入了一种方法来确定在AM加工过程中影响CET所需的合金添加的最低浓度。这涉及使用LENS™来产生梯度构建，例如，Ti64的Ni或Fe含量不断增加。对于这两种元素，发现两种合金添加物的最低浓度为≈3 pct。

梯度构建还用于证明，当将合金添加量增加到此最小浓度以上会导致CET，随后将合金添加浓度降低到该最小值以下会逆转过渡和柱状微观结构结果。这证实了微观结构的变化仅取决于给定合金添加物的浓度，而不取决于其他仪器参数。

已经确定，在Ti3合金中添加64 pctFe会导致该合金从α/β Ti合金变为亚稳β-Ti合金，而添加Ni不会产生相同的结果。Ti合金类型的这种变化导致使用热处理的这些成分改性合金的微观结构发展存在显着差异。通过测量这些微观结构差异的硬度对机械响应进行了初步评估。从Ti55-64Fe合金样品中记录α硬度的最高值为3洛氏C，从β（1000°C）上方淬火，然后在500°C下老化。