​兩篇《IJP》：揭示增材制造鈦合金微觀尺度的變形和失效行為

來(lái)源：材料科學(xué)與工程

鈦合金具有密度小、比強(qiáng)度高、耐蝕性好等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)療和能源化工等領(lǐng)域，是國(guó)防工業(yè)的重要材料之一。傳統(tǒng)的鈦合金制備工藝如鑄-鍛成形具有材料利用率低、周期長(zhǎng)等不足。隨著現(xiàn)代工業(yè)化發(fā)展，激光增材制造成為一種新興的綠色智能鈦合金制造方法，激光增材制造可實(shí)現(xiàn)構(gòu)件無(wú)模具數(shù)字化快速成形，具有設(shè)計(jì)和制造一體化、材料利用率高、周期短等特點(diǎn)。然而，激光增材制造鈦合金具有明顯區(qū)別于鍛件的顯微組織，使得其具有獨(dú)特的變形和失效行為。目前激光增材制造鈦合金的變形和失效機(jī)理還需要進(jìn)一步分析研究。

加拿大多倫多大學(xué)材料系鄒宇教授課題組聯(lián)合北京航空航天大學(xué)研究了激光增材制造Ti-6Al-2Zr-Mo-Zr鈦合金的變形和失效行為。相關(guān)工作成果連續(xù)發(fā)表在國(guó)際塑性頂刊《International Journal of Plasticity》上。第一作者均為多倫多大學(xué)劉志穎博士，主要合作者包括多倫多大學(xué)材料科學(xué)與工程 Sobhan Dash博士, 博士生張家琿，呂天易和朗力中, 北京航空航天大學(xué)何蓓副研究員和李仁楷博士以及多倫多城市大學(xué)陳道倫教授。多倫多大學(xué)鄒宇教授為通訊作者。

第一項(xiàng)工作著重討論了增材制造鈦合金在微觀尺度的塑性變形行為。該工作首次報(bào)道了微觀剪切帶的形成能有效提升增材制造鈦合金的塑性變形能力。微觀剪切帶的形成對(duì)宏觀塑性變形的影響可以歸結(jié)為以下原因：（1）微觀剪切帶相較于傳統(tǒng)滑移帶能容納更多的塑性變形。（2）微觀剪切帶均勻分散在材料中，能有效減少材料內(nèi)部應(yīng)力/應(yīng)變集中，延緩材料的不均勻變形和頸縮。（3）剪切帶出現(xiàn)于較硬的組織結(jié)構(gòu)中，表明硬質(zhì)相不僅能提高材料強(qiáng)度，同時(shí)能通過(guò)開(kāi)動(dòng)剪切帶提升材料整體塑性（圖1）。

圖1. SEM 和EBSD 分析表明3條剪切帶（MSB-1，2，3）出現(xiàn)在較硬的alpha晶粒中。

第二項(xiàng)工作進(jìn)一步討論了增材制造鈦合金在微觀尺度的失效行為。該工作研究了增材制造鈦合金中alpha相對(duì)裂紋萌生和擴(kuò)展的影響。其次探討了熱處理對(duì)組織結(jié)構(gòu)和裂紋萌生和擴(kuò)展的影響。結(jié)果表明在熱處理之前，裂紋主要沿著alpha相的界面擴(kuò)展，二次裂紋也出現(xiàn)在alpha相的界面 （圖2）。但是熱處理之后，隨著晶粒尺寸增加，alpha相的局部塑性變形能力增加，裂紋更傾向于穿過(guò)alpha晶粒，沿著alpha六方結(jié)構(gòu)的基面和柱面擴(kuò)展，展現(xiàn)出明顯的晶體取向相關(guān)性。同時(shí)，二次裂紋也出現(xiàn)在alpha晶粒的內(nèi)部（特別是柱面）而非界面，而且發(fā)現(xiàn)二次裂紋的萌生也和alpha相的空間取向有關(guān) （圖3）。因此，通過(guò)同時(shí)考慮alpha相的晶體取向和空間取向等因素，該工作提出了新的模型預(yù)測(cè)增材制造鈦合金二次裂紋的萌生。

上述工作不僅清晰的描述了增材制造鈦合金中獨(dú)特的細(xì)小alpha層片狀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)區(qū)別于鑄件材料中的粗大等軸狀結(jié)構(gòu)。同時(shí)闡明了增材制造鈦合金中alpha相的晶粒尺寸和層片狀形貌對(duì)微觀剪切帶的形成和裂紋萌生擴(kuò)展的重要影響，進(jìn)而解釋了微觀尺度下的alpha相的變形失效機(jī)理。上述工作也強(qiáng)調(diào)了通過(guò)調(diào)控alpha相的尺寸，晶體取向，空間取向和層片狀形貌，能進(jìn)一步制備出具有高力學(xué)性能，符合工業(yè)應(yīng)用要求的增材制造鈦合金。毫無(wú)疑問(wèn)，提升增材制造金屬材料韌塑性和阻礙疲勞裂紋萌生擴(kuò)展的能力將拓寬激光3D打印技術(shù)在金屬結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域的應(yīng)用，使得現(xiàn)代工業(yè)朝著更高效，更綠色和更多元的方向繼續(xù)發(fā)展。

圖2. 裂紋在未熱處理的鈦合金中的擴(kuò)展路徑。主要沿著alpha晶界擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展過(guò)程中alpha晶粒的塑性變形小。

圖3. 裂紋在熱處理的鈦合金中的擴(kuò)展路徑。主要是穿過(guò)alpha晶粒擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展過(guò)程中alpha晶粒的塑性變形大。

【加拿大多倫多大學(xué)鄒宇教授課題組主頁(yè)】
https://www.zou-mse-utoronto-ca.net/

【課題組招聘】
目前招聘的幾個(gè)方向包括（但不限于）：
（1）原位小尺度材料在極端條件下的力學(xué)行為，以及多物理場(chǎng)耦合；
（2）納米高熵合金材料力學(xué)行為和熱穩(wěn)定性研究；
（3） 3D打印鈦合金、鋁合金和及其他合金材料在航空航天以及生物醫(yī)學(xué)的應(yīng)用；
（4）耐磨耐腐蝕涂層開(kāi)發(fā)；
（5）金屬納米材料電催化；
（6）固態(tài)電池的力電耦合；
（7）新型激光3D打印機(jī)的裝備設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)；
（8）機(jī)器學(xué)習(xí)和高通量方法在材料設(shè)計(jì)和智能制造中的應(yīng)用；
（9）冷噴涂新型結(jié)構(gòu)材料
（10）金屬材料力學(xué)位錯(cuò)理論基本研究。      


論文鏈接：
Doi.org/10.1016/j.ijplas.2022.103387
Doi.org/10.1016/j.ijplas.2023.103819