梯度组织能够将不同显微组织的性能结合，提升材料的服役性能，近年来被越来越多的研究。本研究采用激光表面淬火(LSQ)技术在Ti-6Al-4V钛合金棒材表层制备了显微硬度连续过渡的梯度显微组织，研究了LSQ参数对表面形貌、淬火层深度、梯度组织和显微硬度变化的影响，并分析了机理。

研究内容简介

Ti-6Al-4V合金被广泛应用于医用植入体，对于骨关节植入体，一方面需要基体具有较好的韧性，另一方面提高表层硬度可以减少摩擦时的磨损，从而避免植入体提前失效。因此，强化植入体表面并保持基体材料的韧塑性尤其重要。本研究采用激光表面淬火(LSQ)技术在Ti-6Al-4V钛合金棒材表层制备了梯度显微组织，研究了LSQ参数对表面形貌、淬火层深度、梯度组织和显微硬度变化的影响。研究表明，激光能量密度增加将使得梯度层深度增加，但是过高的能量密度将造成表面重熔，引起表面起伏，会破坏表面完整性。不同LSQ工艺参数的试样，从棒材芯部到表层，显微组织发生连续变化，由基体的等轴组织连续过渡为混合组织、马氏体组织、魏氏组织，然后是氧化层，原始β晶粒尺寸逐渐增大。显微组织和元素分布的变化造成显微硬度从基体到表面逐渐升高。

图1为LSQ工艺过程示意图和LSQ试样AD-RD截面示意图。

表1为LSQ工艺参数。

图1. (a) LSQ工艺过程示意图; (b) LSQ试样AD-RD截面示意图. AD: 轴向; RD: 径向; HAZ:热影响区。

图2. 不同LSQ工艺参数试样的表面形貌

图3. 不同LSQ工艺参数试样的表面粗糙度变化

图4. LSQ-1试样AD-RD截面的梯度显微组织

图5. LSQ-2试样AD-RD截面的梯度显微组织

图6. LSQ-3试样AD-RD截面的梯度显微组织

图7. LSQ-3试样AD-RD截面梯度显微组织EBSD分析

图8. LSQ-3试样AD-RD截面不同位置的元素分布. (a) 基体等轴组织区，(b) 热影响区α'马氏体组织区

图9. 不同LSQ工艺参数试样AD-RD截面的显微硬度变化

图10. LSQ-3试样AD-RD截面不同位置的纳米压痕分析

论文第一/通讯作者简介

通讯作者：杨义，博士，上海理工大学材料与化学学院副教授。被聘为中国材料研究学会钛合金分会理事会委员，中国材料与试验团体标准委员会民机材料领域委员会委员，民机标准委员会增材制造专业标准化技术委员会委员，上海3D打印材料工程技术研究中心技术委员会委员，西安市高性能钛合金重点实验室学术委员会委员。长期从事航空航天金属材料及增材制造研究工作，尤其专注于钛合金的相变、变形机理、组织性能调控、合金设计及金属材料增材制造制备等基础研究和应用研究。主持和参加国家自然科学基金、973计划、上海市自然科学基金、知名企业研发项目20余项，授权专利16项，在国内外知名刊物上发表论文近百篇。

资助信息

国家自然科学基金面上项目 (No. 52271108)

上海市自然科学基金面上项目 (No. 21ZR1445100）

西安市高性能钛合金重点实验室开放基金 (No.NIN-HTL-2022-02)

原文信息

Enqing Wang, Jinpeng Tuo, Fengqi Hou, Dongjie Li, Yuanhang Li, Lvhao Zheng, Kai Zhang, Longlong Dong, Yi Yang, Hao Wang, Aijun Huang, Lai-Chang Zhang. 

Gradient microstructures and mechanical properties of Ti–6Al–4V alloy induced by laser surface quenching. 

Smart Materials in manufacturing, 2 (2024) 100056.

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.smmf.2024.100056

期刊简介

Smart Materials in Manufacturing (SMMF) 是一本跨学科的开放获取型国际期刊。期刊主要关注最新型嵌入式功能材料的制造、加工及创新，聚焦现有及最前沿的处理新型材料及系统的制造技术。期刊主编由RMIT University的Cuie Wen教授担任。

SMMF主要刊发原创研究论文、权威评论和最前沿的研究理论及观点。涉及研究领域包括但不限于结构层次、仿生学、受控相位形成、结构适应性、形状记忆和变形能力、刺激响应、针对目标应用、传感和驱动的改进和定制特性。

所有投至期刊的文章均经过严格、高水平的同行评审，一经收录将发表在月活用户超过1800万的ScienceDirect平台，供领域内的学者、及全球读者免费阅读、下载及引用。欢迎广大师生、学者朋友们积极投稿！

目前，期刊已被Scopus，CAS（美国化学文摘）,EBSCO等数据库收录。

主编

主编：Cuie Wen

School of Engineering, RMIT University, Melbourne, Australia

副主编

Antonella Sola 

Department of Engineering Sciences and Methods, University of Modena and Reggio Emilia, Italy

Rong-Chang Zeng

College of Material Science and Engineering, Shandong University of Science and Technology, China