寧波大學(xué)頂刊：增材制造鈦合金的高溫沖擊動(dòng)態(tài)響應(yīng)和失效機(jī)理

來(lái)源：材料科學(xué)與工程

隨著我國(guó)航空航天、國(guó)防軍事等事業(yè)發(fā)展越來(lái)越快，對(duì)增材制造技術(shù)及其產(chǎn)品的需求越來(lái)越大，越來(lái)越多的增材制造零件被應(yīng)用在航天器、武器裝備的關(guān)鍵部位。由于服役環(huán)境苛刻，這些部件經(jīng)常會(huì)承受高速?zèng)_擊載荷的作用，如武器裝備的毀傷和外太空中碎片對(duì)飛行器的撞擊威脅（高應(yīng)變率條件），外空間探測(cè)器著陸和飛鳥(niǎo)撞機(jī)（中低應(yīng)變率條件）等。因此要求其在規(guī)定的沖擊載荷下能保證結(jié)構(gòu)的完整性和連續(xù)性，這對(duì)增材制造零件在極端加載條件下的動(dòng)態(tài)承載能力提出了越來(lái)越高的要求。

寧波大學(xué)沖擊與安全工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王永剛教授課題組與華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院王迪教授、中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所李治國(guó)副研究員、德國(guó)萊布尼茲固態(tài)與材料研究所Konrad Kosiba博士等合作，研究了激光選區(qū)熔化增材制造Ti-6Al-4V合金在高溫沖擊載荷下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和失效破壞機(jī)理，揭示了高溫高應(yīng)變率條件下絕熱剪切帶形成及其微觀(guān)組織演變規(guī)律。相關(guān)論文以題為“Dynamic compressive properties and underlying failure mechanisms of selective laser melted Ti-6Al-4V alloy under high temperature and strain rate conditions”發(fā)表在A(yíng)dditive Manufacturing上。

論文鏈接https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.102772

如圖1所示，在室溫條件下，低應(yīng)變率時(shí)的激光選區(qū)熔化Ti-6Al-4V合金仍然表現(xiàn)出較強(qiáng)的應(yīng)變硬化效應(yīng)，但是隨著隨著加載應(yīng)變率的增加，材料的塑性變形區(qū)呈現(xiàn)軟化的趨勢(shì)，說(shuō)明在應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)和絕熱溫升效應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng)中，后者已經(jīng)占據(jù)上風(fēng)。當(dāng)加載溫度升高時(shí)，熱軟化效應(yīng)帶來(lái)的影響更為明顯，材料的塑性變形區(qū)已經(jīng)呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，此時(shí)，由高溫導(dǎo)致材料的流動(dòng)性增加，對(duì)應(yīng)的應(yīng)變也隨之增大。由于增材制造鈦合金表現(xiàn)出一定的脆性，在低溫或者高應(yīng)變率條件下，試樣傾向于完全破裂，而在高溫條件下，由于鈦合金的導(dǎo)熱性較差，極易發(fā)生絕熱剪切破壞。

圖1不同溫度和應(yīng)變率下的激光選區(qū)熔化Ti-6Al-4V合金的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)。

圖2為650℃/6000s-1下激光選區(qū)熔化Ti-6Al-4V合金中的絕熱剪切帶(adiabatic shear band, ASB )及其附近區(qū)域的微觀(guān)形貌，剪切帶大致沿著加載方向45°的方向擴(kuò)展，也是剪切力最大的方向。剪切帶周?chē)�的輕度變形區(qū)的板條狀馬氏體已經(jīng)彎曲，重度變形區(qū)的馬氏體已經(jīng)彎曲破碎，剪切帶內(nèi)的晶粒組織已經(jīng)細(xì)化成納米尺度。

圖2  650℃/6000s-1加載條件下激光選區(qū)熔化Ti-6Al-4V合金試樣中的微觀(guān)組織形貌。(a)未變形區(qū)，(b,c) 中等變形區(qū)，(d)重度變形區(qū)，(e,f) 絕熱剪切帶及其內(nèi)部形貌。

如圖3所示，在高溫沖擊載荷作用下，材料的微觀(guān)組織和織構(gòu)發(fā)生明顯變化。在剪切帶及其周邊區(qū)域產(chǎn)生大量的細(xì)小的等軸再結(jié)晶晶粒，平均晶粒尺寸由原始態(tài)的4.4μm2減小至650℃/6000s-1時(shí)的1.44μm2，而織構(gòu)強(qiáng)度從2.35增加到9.34。剪切帶內(nèi)的晶粒尺寸進(jìn)一步減至0.41μm2，而織構(gòu)強(qiáng)度則增至11.13，表明在沖擊過(guò)程中，再結(jié)晶晶粒能夠自我調(diào)整以適應(yīng)剪切變形。

圖3高溫高應(yīng)變率加載條件下的晶粒形貌、織構(gòu)和晶粒尺寸統(tǒng)計(jì)圖。(a)未加載材料，(b)650℃/6000s-1條件下，(c) 剪切帶內(nèi)。

圖4變形馬氏體反映了在高溫沖擊激光選區(qū)熔化TC4合金的微觀(guān)組織演變狀態(tài)。(a,b) 菊池帶襯度圖和IPF圖，(c,d)變形馬氏體上線(xiàn)段L1和L2上的取向差，(c)板條狀馬氏體在沖擊載荷下的變形機(jī)理。

研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)鈦合金（軋制、鑄造等）不同，增材制造TC4合金中主要以細(xì)小的板條狀馬氏體為主。在沖擊載荷下，微觀(guān)組織的演變機(jī)理除了有動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，還有變形孿晶伴生的α板條橫向斷裂機(jī)理。其過(guò)程分析如下：原始態(tài)的板條軸線(xiàn)近似平行于剪切方向，垂直于板條縱軸形成一簇LAGB。在沖擊載荷的作用下，板條在LAGB的末端開(kāi)始收縮。隨著變形的進(jìn)行，LAGB的取向差增大，更多的位錯(cuò)形成、堆積，部分位錯(cuò)轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃螌\晶。LAGB逐漸擴(kuò)展直至貫穿整個(gè)板條。同時(shí)，板條軸線(xiàn)傾斜，使其更加垂直于加載方向，如階段II所示。在第III階段，板條傾斜加劇，變形孿晶沿著LAGB繼續(xù)生長(zhǎng)，直到板條被穿透，從而導(dǎo)致板條橫向斷裂。