應(yīng)用于增材制造：通過原位中子衍射研究Ti-6Al-4V中的應(yīng)力松弛行為和機(jī)制

1　研究背景
鈦合金由于其較高的比強(qiáng)度和較好的耐腐蝕性能而廣泛應(yīng)用于航空航天和醫(yī)療行業(yè)。增材制造與傳統(tǒng)的減材制造相比，可以加工制造形狀結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的工件，同時(shí)也很大程度的減少了原材料的浪費(fèi)，因此以鈦合金為原材料的增材制造技術(shù)在航空航天和醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。在增材制造加工過程中，熔化的材料在凝固時(shí)發(fā)生收縮，并且會(huì)在隨后冷卻時(shí)進(jìn)一步收縮。在逐層加工過程中，鄰近熔池和熔池下方的材料會(huì)經(jīng)歷復(fù)雜的熱循環(huán)，這會(huì)導(dǎo)致沉積層產(chǎn)生額外的膨脹和收縮循環(huán)。在連續(xù)的逐層沉積過程中，復(fù)雜的熱循環(huán)會(huì)導(dǎo)致殘余應(yīng)力的累積，累積的殘余應(yīng)力可能會(huì)導(dǎo)致部件變形，嚴(yán)重時(shí)甚至產(chǎn)生開裂，從而降低工件的尺寸精度和完整性。在沉積期間累積或釋放的殘余應(yīng)力的量取決于沉積材料和基板的應(yīng)力松弛行為，而且層間間隔時(shí)間和溫度對(duì)應(yīng)力松弛行為有很大的影響。增材制造中的熱力學(xué)模型可以用來預(yù)測工件制造過程中殘余應(yīng)力和變形，并且可以通過優(yōu)化工藝參數(shù)來最大限度的減小工件的殘余應(yīng)力和變形。因此正確認(rèn)識(shí)增材制造中的應(yīng)力松弛行為可以改進(jìn)熱-力模型，從而改善其在AM零件制造期間預(yù)測殘余應(yīng)力的能力。

2　研究過程
作者在本文中以Ti-6Al-4V作為研究對(duì)象，分別對(duì)傳統(tǒng)加工(CP)和增材制造(AM)的兩種試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，并且試樣的形狀為圓柱形，直徑5mm，長度10mm。隨后將試樣分別加熱到600℃和700℃，接著進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)單軸壓縮試驗(yàn)，應(yīng)變速率為7.8×10-4/s，壓縮后的工程應(yīng)變?yōu)?.045。在實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)變量始終保持不變，在恒定溫度下應(yīng)力隨著時(shí)間的增加而減小，即出現(xiàn)了應(yīng)力松弛行為。在實(shí)驗(yàn)過程中，作者采用中子衍射技術(shù)對(duì)試樣的應(yīng)力松弛行為進(jìn)行原位觀察來研究Ti-6Al-4V的應(yīng)力松弛機(jī)制。

3　圖文導(dǎo)讀

圖一  原位中子衍射法測量軸向和橫向晶格應(yīng)變的壓縮實(shí)驗(yàn)示意圖

中子衍射技術(shù)除了可以測量晶格應(yīng)變外，也可以用來估計(jì)α相的相對(duì)體積分?jǐn)?shù)變化。

圖二  傳統(tǒng)加工和AM試樣在600℃和700℃溫度下的應(yīng)力松弛曲線

圖中可以看出，在一定的溫度和給定的應(yīng)變條件下，應(yīng)力迅速的減小，在初始10分鐘內(nèi)，600℃時(shí)的應(yīng)力釋放了60-65%，700℃的應(yīng)力釋放了70-80%；隨后應(yīng)力松弛行為以較慢的速度進(jìn)行，最后降低至15MPa左右。

圖三 AM試樣的軸向方向加熱、加載和應(yīng)力松弛行為對(duì)應(yīng)的中子衍射圖譜  

圖中黑線向紅線的轉(zhuǎn)變對(duì)應(yīng)為加熱過程，紅線向黃線的轉(zhuǎn)變對(duì)應(yīng)加載過程，黃線向藍(lán)線的轉(zhuǎn)變對(duì)應(yīng)應(yīng)力松弛過程。圖中標(biāo)注的峰均為α相，并且對(duì)101峰進(jìn)行了放大對(duì)比。

圖四 在室溫環(huán)境下未發(fā)生壓縮的試樣的顯微組織圖像

圖(a)為傳統(tǒng)加工試樣的顯微組織圖，圖(b)為增材制造試樣的顯微組織圖，可以從圖(b)中很明顯的看到針狀馬氏體組織，亮色為α相區(qū)域，暗色為β相區(qū)域，原理是Kroll腐蝕劑優(yōu)先腐蝕β相。

表一 Ti-6Al-4V在傳統(tǒng)加工和增材制造情況下不同溫度下的體積分?jǐn)?shù)

圖五

圖五(a)、(b)分別為600℃時(shí)傳統(tǒng)加工和增材制造的晶格應(yīng)變隨時(shí)間變化的曲線圖，圖(c)、(d)分別為700℃時(shí)傳統(tǒng)加工和增材制造的晶格應(yīng)變隨時(shí)間變化的曲線圖。從圖中可以看出晶格應(yīng)變隨時(shí)間變化的趨勢與圖二中應(yīng)力隨時(shí)間變化的趨勢是一致的，傳統(tǒng)加工和增材制造的α相晶格應(yīng)變發(fā)生了明顯的減小，而β相的晶格應(yīng)變隨時(shí)間變化沒有明顯的規(guī)律。與此同時(shí)，還可以發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，應(yīng)變松弛速率增加。

4　總結(jié)
1、在600℃和700℃時(shí)，宏觀應(yīng)力和晶格應(yīng)變?cè)?0分鐘內(nèi)均快速減小到可以忽略的水平，并且隨著溫度的升高，應(yīng)變松弛速率增加，峰值應(yīng)力減小，最后傳統(tǒng)加工和增材制造試樣的應(yīng)力均趨于穩(wěn)定的應(yīng)力值，沒有明顯區(qū)別；

2、在相同的溫度與應(yīng)變時(shí)，與傳統(tǒng)加工制備的試樣相比，AM試樣具有較低的應(yīng)力峰值和應(yīng)力松弛速率；

3、在600℃和700℃時(shí)，應(yīng)力松弛不是由相變(α→β)引起的，也不是由載荷從α相到β相轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)的，作者推測應(yīng)力松弛可能是通過位錯(cuò)的滑移和攀移實(shí)現(xiàn)的。

本文由高溫合金精密成型研究中心2018級(jí)碩士-譚志俊編輯整理