納米力學(xué)技術(shù)在表征增材制造鈦及鈦鋁合金的應(yīng)用

金屬材料激光增材制造(俗稱(chēng)金屬3D打印)技術(shù)，是一種采用高功率激光對(duì)金屬粉末/絲材進(jìn)行逐層熔化/ 凝固堆積,進(jìn)而形成高致密性和高性能的整體金屬構(gòu)件的近凈成形制造技術(shù)。其后續(xù)機(jī)械加工余量小、材料利用率高、周期短、成本低，同時(shí)大功率激光可制備難熔金屬構(gòu)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(xué)成分和顯微組織,實(shí)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(xué)性能往往取決于其單相或單組分的力學(xué)性能。然而，通常增材制造材料的組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜并且晶粒尺寸極小，傳統(tǒng)辦法很難精細(xì)表征每一相的力學(xué)性能。因此，準(zhǔn)確表征增材制造材料微觀尺度下相或組元的力學(xué)性能，對(duì)于理解并調(diào)控結(jié)構(gòu)件整體的力學(xué)性能具有重要意義。


近期，加拿大多倫多大學(xué)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(xué)大型金屬構(gòu)件增材制造國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室合作采用高速納米壓痕技術(shù)（1個(gè)壓痕/約1秒）對(duì)3D打印雙相鈦合金（TA15, Ti-6Al-2Zr-Mo-V）和γ-TiAl/Ti2AlNb梯度材料進(jìn)行了高通量力學(xué)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(shí)驗(yàn)圖。另外，兩個(gè)課題組對(duì)于近期增材制造鈦合金的文獻(xiàn)也做了綜述總結(jié)[3].相關(guān)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(shí)驗(yàn)表明：（1）高速高通量納米壓痕技術(shù)是一種有效的表征具有復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)的多相合金H和E分布的方法。其空間分辨率可以達(dá)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(gè)樣品hcpα相的力學(xué)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(zhǔn)確表征熱處理過(guò)程中元素的再分布對(duì)α和β相力學(xué)性能的影響。高溫?zé)崽幚黼S爐冷卻后，Al從β相擴(kuò)散到相鄰的α相，而Mo和V沿相反方向擴(kuò)散。導(dǎo)致α和β相同時(shí)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(guò)EPMA測(cè)量）圖。

對(duì)于TiAl/Ti2AlNb梯度材料，他們采用高速納米壓痕技術(shù)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)的方式研究了TiAl/Ti2AlNb合金之間過(guò)渡區(qū)在亞微米長(zhǎng)度尺度上微觀結(jié)構(gòu)/相與H和E之間的關(guān)系。研究結(jié)果如下：（1）Ti2AlNb/TiAl過(guò)渡區(qū)可分為三層。(2)H和E與過(guò)渡區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)/相之間具有良好的相關(guān)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(guò)渡區(qū)內(nèi)，維氏硬度趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)及計(jì)算所得平均納米硬度趨勢(shì)一致，不同相對(duì)過(guò)渡區(qū)內(nèi)H和E的貢獻(xiàn)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(gè)過(guò)渡層（Layer I，II和III）。 (c) 過(guò)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(shù)與先進(jìn)的微觀組織結(jié)構(gòu)表征技術(shù)相結(jié)合，可以為研究多相多組元結(jié)構(gòu)材料的跨尺度力學(xué)行為提供新的機(jī)會(huì)。同時(shí)，對(duì)研究微觀尺度下材料的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系提供契機(jī)，進(jìn)而對(duì)3D打印材料的過(guò)程設(shè)計(jì)和微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。  

作者介紹
鄒宇：現(xiàn)任職于加拿大多倫多大學(xué)材料科學(xué)與工程系助理教授并擔(dān)任加拿大CIM冶金與材料學(xué)會(huì)(MetSoc)材料技術(shù)分會(huì)主席。其分別于北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程系獲學(xué)士學(xué)位，加拿大麥吉爾大學(xué)材料工程系獲碩士學(xué)位，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院材料系獲博士學(xué)位，獲JSPS資助到日本京都大學(xué)機(jī)械系訪問(wèn)半年，于美國(guó)麻省理工學(xué)院機(jī)械系博士后出站。
目前，鄒宇教授在加拿大多倫多大學(xué)材料科學(xué)與工程系帶領(lǐng)的 “極端力學(xué)與增材制造課題組”研究和探索具有超常力學(xué)性能的材料以及材料在極端條件下的力學(xué)行為和加工制造。其研究領(lǐng)域涉及金屬、力學(xué)和制造, 跨多個(gè)時(shí)間和空間尺度。其主要研究方向包括高熵合金、納米力學(xué)和金屬增材制造。應(yīng)用領(lǐng)域涉及航空航天、醫(yī)療器械、 電子設(shè)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。