[论文解读] The Effect of Thermal History on Microstructural Evolution, Cold-Work Refinement and {\alpha}/\b{eta} Growth in Ti-6Al-4V Wire + Arc AM

Jan Hönnige, Paul A. Colegrove+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2018

Additive Manufacturing Materials and Processes参考文献 37被引用 4

一句话总结

本研究探讨了热历史对Ti-6Al-4V丝材电弧增材制造（WAAM）构件中微观结构演变的影响，发现热影响区（HAZ）中的白带对应于825 °C的温度——低于β转变温度但高于α相溶解温度。层间冲击强化使晶粒细化至第一层带区域，最细小的晶粒出现在该边界上方；而更高温度则引起显著的晶粒长大。

ABSTRACT

Wire + arc additive manufacture (WAAM) is an attractive method for manufacturing large-scale aerospace components, however the microstructural changes that occur and the effect of interpass rolling are poorly understood. Therefore two fundamental studies were conducted: the first involved temperature measurement of a wrought dummy wall so that the microstructural changes in the heat affected zone (HAZ) could be related to the thermal cycle. This demonstrated that the white band in the microstructure corresponded to 825 C well below the beta-transus temperature and above this boundary the bi-modal substrate material was converted to lamellar. The second involved peening WAAM material along the side of a deposited wall before applying a typical WAAM thermal heat treatment. This showed that refinement occurred up to the first layer band in the microstructure and the smallest grains were observed just above this boundary at higher temperatures significant grain growth occurred. This study has provided the foundational understanding of microstructural changes that will facilitate future process developments.

研究动机与目标

• 理解Ti-6Al-4V丝材电弧增材制造构件热影响区（HAZ）中的热历史。
• 识别与微观结构中白带形成相关的温度范围，该特征为关键的微观结构特征。
• 研究层间冲击强化对WAAM加工过程中晶粒细化及微观结构演变的影响。
• 将热循环与微观结构变化相关联，特别是α/β相变及晶粒生长行为。
• 为大型WAAM制造的航空航天构件的后续处理和热处理优化奠定基础。

提出的方法

• 在锻造的‘模拟’墙体上进行温度测量，以绘制WAAM沉积过程中经历的热循环。
• 将热电偶嵌入钻孔中，以避免电弧焊枪干扰，并确保准确测量亚表面温度。
• 在标准WAAM热处理前，沿沉积墙体侧面实施层间冲击强化，以评估其对微观结构的影响。
• 采用光学显微镜和微观结构分析识别层带，并将其与热暴露相关联。
• 将热历史与相变相关联，特别是β→α转变及晶粒尺寸演化。
• 本研究结合实验温度监测与微观结构表征，确定了关键温度阈值。

实验结果

研究问题

• RQ1 Ti-6Al-4V WAAM构件热影响区中白带形成的温度范围是什么？
• RQ2 层间冲击强化如何影响WAAM工艺中的晶粒细化及微观结构演变？
• RQ3 热暴露与Ti-6Al-4V WAAM沉积物热影响区晶粒生长之间存在何种关系？
• RQ4 沉积过程中的热循环如何影响α/β微观结构及相变行为？
• RQ5 在热影响区，显著晶粒粗化发生的温度是多少，其与第一层带的关系如何？

主要发现

• 微观结构中的白带对应于825 °C的热暴露，该温度低于β转变温度（995 °C）但高于α相溶解温度（748 °C）。
• 在白带上方，双相基体微观结构因热暴露而转变为片状结构。
• 层间冲击强化使晶粒细化至第一层带区域，最细小的晶粒出现在该边界上方。
• 在高于第一层带的温度下，发生显著的晶粒长大，表明存在热粗化阈值。
• WAAM沉积过程中的热循环导致α片状相尺寸随每一层带的增加而逐步增大。
• 本研究证实，热影响区中的热暴露主导了微观结构演变，关键转变发生在约825 °C附近。