納米力學技術在表征增材制造鈦及鈦鋁合金的應用

金屬材料激光增材制造(俗稱金屬3D打印)技術，是一種采用高功率激光對金屬粉末/絲材進行逐層熔化/ 凝固堆積,進而形成高致密性和高性能的整體金屬構件的近凈成形制造技術。其后續(xù)機械加工余量小、材料利用率高、周期短、成本低，同時大功率激光可制備難熔金屬構件，且可以根據(jù)零件的工作條件和服役性能要求,改變局部激光熔化沉積材料的化學成分和顯微組織,實現(xiàn)多相合金、梯度材料的近凈成形。多相合金材料及梯度材料的綜合力學性能往往取決于其單相或單組分的力學性能。然而，通常增材制造材料的組織結構復雜并且晶粒尺寸極小，傳統(tǒng)辦法很難精細表征每一相的力學性能。因此，準確表征增材制造材料微觀尺度下相或組元的力學性能，對于理解并調(diào)控結構件整體的力學性能具有重要意義。


近期，加拿大多倫多大學材料系鄒宇教授課題組（https://mse.utoronto.ca/faculty-staff/professors/zou-yu/）與北京航空航天大學大型金屬構件增材制造國家工程實驗室合作采用高速納米壓痕技術（1個壓痕/約1秒）對3D打印雙相鈦合金（TA15, Ti-6Al-2Zr-Mo-V）和γ-TiAl/Ti2AlNb梯度材料進行了高通量力學表征 （硬度H和彈性模量E）[1] [2]。圖1是3D打印示意圖和納米壓痕實驗圖。另外，兩個課題組對于近期增材制造鈦合金的文獻也做了綜述總結[3].相關工作如下:
論文鏈接:
【1】https://link.springer.com/article/10.1007/s11837-021-04670-6  
【2】https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S0925838821013554
【3】https://link.springer.com/article/10.1007/s11837-021-04670-6



△圖1. (a) 激光增材制造制備TA15鈦合金示意圖。(b) 納米壓痕儀Berkovich 壓頭SEM圖片。(c) 鈦合金α 和β相BSE圖片(帶壓痕)

雙相TA15 鈦合金的納米壓痕實驗表明：（1）高速高通量納米壓痕技術是一種有效的表征具有復雜微觀結構的多相合金H和E分布的方法。其空間分辨率可以達到亞微米范圍（〜300-500 nm）。（2）H和E分布圖可以清楚的定量同一個樣品hcpα相的力學各向異性。（3）熱處理作為3D打印材料重要的后處理手段，此方法可準確表征熱處理過程中元素的再分布對α和β相力學性能的影響。高溫熱處理隨爐冷卻后，Al從β相擴散到相鄰的α相，而Mo和V沿相反方向擴散。導致α和β相同時硬化，H分別增加了32％和12％。  

圖2. (a) TA15合金的BSE圖片（亮的為β相，暗的為α相）。（b）和（d）分別為圖（a）中矩形區(qū)域的H和E分布圖。（C）為圖（d）中矩形區(qū)域Al元素分布（通過EPMA測量）圖。

對于TiAl/Ti2AlNb梯度材料，他們采用高速納米壓痕技術，通過統(tǒng)計的方式研究了TiAl/Ti2AlNb合金之間過渡區(qū)在亞微米長度尺度上微觀結構/相與H和E之間的關系。研究結果如下：（1）Ti2AlNb/TiAl過渡區(qū)可分為三層。(2)H和E與過渡區(qū)的微觀結構/相之間具有良好的相關性。從Ti2AlNb到Layer I，H和E逐漸增加；從Layer I到γ-TiAl，H和E逐漸降低。（3）過渡區(qū)內(nèi)，維氏硬度趨勢與實驗及計算所得平均納米硬度趨勢一致，不同相對過渡區(qū)內(nèi)H和E的貢獻遵循混合法則。


△圖3. (a) TiAl/Ti2AlNb梯度材料激光增材制造示意圖。(b)低倍BSE圖像，顯示了Ti2AlNb基板和γ-TiAl之間的三個過渡層（Layer I，II和III）。 (c) 過渡區(qū)內(nèi)納米硬度演變圖

因此，高速高通量納米壓痕技術與先進的微觀組織結構表征技術相結合，可以為研究多相多組元結構材料的跨尺度力學行為提供新的機會。同時，對研究微觀尺度下材料的結構-性能關系提供契機，進而對3D打印材料的過程設計和微觀結構設計提供指導。  

作者介紹
鄒宇：現(xiàn)任職于加拿大多倫多大學材料科學與工程系助理教授并擔任加拿大CIM冶金與材料學會(MetSoc)材料技術分會主席。其分別于北京航空航天大學材料科學與工程系獲學士學位，加拿大麥吉爾大學材料工程系獲碩士學位，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院材料系獲博士學位，獲JSPS資助到日本京都大學機械系訪問半年，于美國麻省理工學院機械系博士后出站。
目前，鄒宇教授在加拿大多倫多大學材料科學與工程系帶領的 “極端力學與增材制造課題組”研究和探索具有超常力學性能的材料以及材料在極端條件下的力學行為和加工制造。其研究領域涉及金屬、力學和制造, 跨多個時間和空間尺度。其主要研究方向包括高熵合金、納米力學和金屬增材制造。應用領域涉及航空航天、醫(yī)療器械、 電子設備、環(huán)境和能源。鄒宇老師已發(fā)表SCI論文35篇，其中在Nature Communications, Nano Letters, Acta Materialia, Scripta Materialia上發(fā)表論文11篇。
劉志穎：鄒宇老師博士生。
陳昊秀：鄒宇老師博士生。