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

來源：材料科學(xué)與工程

隨著我國航空航天、國防軍事等事業(yè)發(fā)展越來越快，對增材制造技術(shù)及其產(chǎn)品的需求越來越大，越來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)常會承受高速沖擊載荷的作用，如武器裝備的毀傷和外太空中碎片對飛行器的撞擊威脅（高應(yīng)變率條件），外空間探測器著陸和飛鳥撞機(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，這對增材制造零件在極端加載條件下的動態(tài)承載能力提出了越來越高的要求。

寧波大學(xué)沖擊與安全工程教育部重點實驗室王永剛教授課題組與華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院王迪教授、中國工程物理研究院流體物理研究所李治國副研究員、德國萊布尼茲固態(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Additive 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，說明在應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)和絕熱溫升效應(yīng)的競爭中，后者已經(jīng)占據(jù)上風(fēng)。當(dāng)加載溫度升高時，熱軟化效應(yīng)帶來的影響更為明顯，材料的塑性變形區(qū)已經(jīng)呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，此時，由高溫導(dǎo)致材料的流動性增加，對應(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合金的動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

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。剪切帶周圍的輕度變形區(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，微觀組織的演變機(jī)理除了有動態(tài)再結(jié)晶，還有變形孿晶伴生的α板條橫向斷裂機(jī)理。其過程分析如下：原始態(tài)的板條軸線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的末端開始收縮。隨著變形的進(jìn)行，LAGB的取向差增大，更多的位錯形成、堆積，部分位錯轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃螌\晶。LAGB逐漸擴(kuò)展直至貫穿整個板條。同時，板條軸線傾斜，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，直到板條被穿透，從而導(dǎo)致板條橫向斷裂。