西交大《IJP》：HEXRD揭示AM合金塑性各向異性（附招生信息）

西安交通大學崔路卿副教授團隊聯合國內外其他四家機構，采用高能XRD衍射，澄清了除晶體織構外其他影響增材制造合金塑性各向異性的因素。相關工作以“New insights into the anisotropic ductility of additively manufactured Inconel 718”發(fā)表于《International Journal of Plasticity》上。

第一作者：崔路卿（西安交通大學）

通訊作者：姜爽（東北大學）、何衛(wèi)鋒（西安交通大學、空軍工程大學）

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2023.103738

研究內容簡介：

增材制造技術由于設計自由度高，在航空航天和能源領域獲得大量關注，但層層疊加的制備方式常常導致所得構件的各向異性機械性能，即當荷載平行于增材方向時，強度較低但延展性較高。在大量前人工作中，強度各向異性已被系統研究，其微觀機制被廣泛接受與熱機械歷史誘發(fā)的位錯強化和晶界強化有關。然而，塑性各向異性由于影響因素的復雜性，迄今為止很少有工作涉及其微觀形成機理。僅有的工作也將其歸咎于晶體織構的影響，但近期研究表明弱/無織構增材制造合金仍具有顯著的塑性各向異性，這表明其他因素也可能發(fā)揮關鍵作用。

金屬材料延展性受到塑性變形中微孔演變的影響，而微孔演變由其所處空間應力狀態(tài)決定。例如，在三向拉應力狀態(tài)下，微孔膨脹，這不利于延展性。相反，在三軸壓應力下，它們會收縮或愈合，這對于延展性有利。受此啟發(fā)，西交大崔路卿副教授團隊聯合國內外其余四家機構，結合理論分析、高能XRD和多尺度表征手段，深度揭示了除晶體織構外其他影響增材制造合金塑性各向異性的因素。

本工作首先通過打印參數調控及后處理獲得了弱織構增材制造IN718合金（圖1），但其仍表現出顯著的延展性各向異性（圖2），隨后對其微裂紋行為進行表征發(fā)現，微裂紋萌生于晶界δ相與基體脫粘，并與γ′和γ′′共格析出相形成的微孔相連接（圖3），從而導致合金沿晶斷裂的發(fā)生（圖4和圖5）。其次，作者從晶粒所受三向應力狀態(tài)、晶粒形狀、微孔應力集中因子、晶界取向對增材制造合金塑性各向異性進行了分析。

本工作首次揭示了垂直樣品中{220}晶系負三向應力指數導致塑性變形后期微孔發(fā)生閉合（圖6），從而導致垂直樣品具有更高延伸率。此外，晶粒形狀（圖7）、微孔應力集中因子（圖8）、晶界取向（圖9）同樣對于合金塑性各向異性具有重要影響。

圖1. 經打印工藝調控及后處理的增材制造IN718典型微觀組織，晶粒和δ相均呈橢圓形，δ相沿晶界均勻分布，且合金整體織構強度很低。

圖2. 弱織構增材制造IN718合金仍表現出顯著延展性各向異性，說明除織構外還有其它影響增材制造塑性的因素。

圖3. 微裂紋萌生于晶界δ相與基體脫粘，并與γ′和γ′′共格析出相形成的微孔相連接，從而導致合金發(fā)生沿晶斷裂。

圖4. 斷裂前后合金組織中GND位錯密度分布，可以看到不同取向晶粒協調變形導致應力集中主要分布于晶界附近，最終導致合金發(fā)生沿晶斷裂。

圖5. IN718多相合金拉伸斷裂過程示意圖。

圖6. 由圖（c）和圖（d）分析可知IN718臨界應力指數（TF）在0.3和0.4之間，再結合圖（a）和圖（b）可知垂直樣品中當應變超過13%時，{220}晶系TF值低于0，此時微孔會發(fā)生閉合，因此本工作首次揭示{220}晶系負TF值是導致延展性各向異性的重要因素。

圖7. 本研究中IN718合金晶�？珊喕癁闄E圓，此時沿不同方向進行加載，引起晶界δ相與基體脫粘所占圓弧長度是不同的。結合圖（e），并經定量計算可知，水平和垂直加載所對應圓弧分別為33.335（圖e中紅線，即SH-E）和20.463 μm（圖e中藍線，即SV-E），據此可知晶粒形狀對于延展性各向異性具有一定作用。

圖8. 微裂紋是由于δ相與基體脫粘，且δ相呈橢圓形，因此可分析不同方向進行加載時δ相沿的應力集中因子，可知水平和垂直時應力集中因子各為18.55和1.47，因此水平加載微裂紋更容易產生，塑性更低。微孔應力集中因子對于延展性各向異性具有一定作用。

圖9. 晶界取向對于延展性各向異性具有一定作用。

團隊介紹及招生信息：

一.團隊簡介

本團隊為西安交通大學激光智能制造團隊，隸屬于航空動力系統與等離子體技術全國實驗室，由李應紅院士領銜，主要從事航空發(fā)動機部件（金屬材料如鈦合金、高溫合金等）激光先進制造抗疲勞與結構強度相關研究工作，旨在解決航空發(fā)動機設計與使用過程中面臨的“卡脖子”問題，具體包括激光表面強化、激光增材制造、激光復合制造、飛秒激光微納制造與仿生設計。團隊成員論文多發(fā)表于頂刊《Acta Materialia》、《International Journal of Plasticity》、《Scripta Materialia》、《Journal of Materials Science & Technology》等。團隊師生關系和諧、經費充足、設備先進！

二.招聘方向

金屬材料、增材制造、力學、物理、機械工程

三.招生條件

1.已獲得或近期獲得上述相關專業(yè)的碩士或本科生；

2.有責任心、動手能力強、勤勉努力、富有團隊合作精神，具有一定的獨立科研能力。

符合以下條件者將予以優(yōu)先考慮（非硬性條件）：

（1）有使用TEM、SEM、EBSD等材料表征經驗；

（2）以主要完成人身份發(fā)表過SCI學術論文；

（3）有良好的中英文寫作能力;

3.團隊傾向招收有意攻讀博士學生；

4.其余招生信息科參考http://mec.xjtu.edu.cn/info/1082/11932.htm、http://mec.xjtu.edu.cn/info/1083/12170.htm。

四.聯系方式

崔老師，電子郵件：lqcui14s@xjtu.edu.cn

團隊每年可招收多名碩士、博士，最近機會在今年9月的研究生推免，歡迎大家推薦、咨詢、聯系！