沈航楊光教授頂刊丨WAAM-LDM復(fù)合增材制造Ti-6Al-4V的組織演變及斷裂行為

來(lái)源：沈航增材
作者：周思雨，張健飛

1、研究意義與目的
電弧增材制造（WAAM）和激光沉積制造（LDM）作為兩種典型的增材制造（AM）技術(shù)，具有各自的優(yōu)勢(shì)。WAAM工藝具有成形效率高、材料利用高等優(yōu)點(diǎn)，而LDM工藝具有產(chǎn)品力學(xué)性能高、表面精度高等優(yōu)點(diǎn)。因此，為實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜鈦合金結(jié)構(gòu)件高效高精度生產(chǎn)的目的，本文將WAAM和LDM工藝的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，提出了WAAM-LDM生產(chǎn)Ti-6Al-4V結(jié)構(gòu)件的方法。將大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件分為兩部分，其中，簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)特征通過(guò)WAAM技術(shù)生產(chǎn)，復(fù)雜結(jié)構(gòu)或小型特征可以通過(guò)LDM技術(shù)實(shí)現(xiàn)。深入探究了兩種工藝結(jié)合面處顯微組織的演變以及對(duì)力學(xué)性能表現(xiàn)的影響，為大型復(fù)雜鈦合金結(jié)構(gòu)件的復(fù)合增材制造提供了新的思路。圖1為WAAM與LDM沉積方向平行（H-WAAM-LDM）和垂直（V-WAAM-LDM）兩種情況的示意圖、模型及實(shí)物圖、拉伸試樣取樣位置及尺寸等。

圖1.（a）H-WAAM-LDM；（b）V-WAAM-LDM；（c）模型及實(shí)物圖；（d）拉伸試樣取樣位置及尺寸

2.結(jié)果
2.1.WAAM-LDM樣品的宏觀結(jié)構(gòu)

WAAM-LDM制備的Ti-6Al-4V樣品由四個(gè)典型區(qū)組成：電弧區(qū)（WAAM Zone）、熱影響區(qū)（Heat Affected Zone）、重熔區(qū)（Remelting Zone）和激光區(qū)（LDM Zone）。β柱狀晶在WAAM和LDM區(qū)外延生長(zhǎng)，從圖2(a)來(lái)看，H-WAAM-LDM樣品中WAAM區(qū)的柱狀晶尺寸(~2mm)大于LDM區(qū)的柱狀晶尺寸(0.86-1.45mm)。圖2(b)顯示了V-WAAM-LDM樣品中界面的宏觀結(jié)構(gòu)，與H-WAAM-LDM樣品相比，V-WAAM-LDM樣品中WAAM區(qū)和LDM區(qū)的柱狀晶相互垂直。

圖2. Ti-6Al-4V樣品宏觀結(jié)構(gòu)（a）H-WAAM-LDM樣品；（b）V-WAAM-LDM樣品

2.2.WAAM-LDM樣品的微觀結(jié)構(gòu)
圖3分別是WAAM-LDM樣品中四個(gè)典型區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)。WAAM區(qū)微觀結(jié)構(gòu)主要以平行的α板條組成的粗集束組織為主。相比于WAAM區(qū)，HAZ中α集束的寬度略微減小，并夾雜著大量的網(wǎng)籃結(jié)構(gòu)。值得注意的是，RZ中充滿了細(xì)網(wǎng)籃結(jié)構(gòu)和針狀α相。LDM區(qū)的顯微組織與RZ類似，但α板條的厚度略有增加。關(guān)注公眾號(hào): 增材制造碩博聯(lián)盟，免費(fèi)獲取海量增材資料，聚焦增材制造科研與工程應(yīng)用！

圖3. WAAM-LDM樣品的微觀結(jié)構(gòu)，（c）WAAM zone；（d）HAZ；（e）RZ；（f）LDM zone

EBSD結(jié)果展示了H-WAAM-LDM和V-WAAM-LDM樣品在結(jié)合區(qū)附近的微觀組織，如圖4(a)(b)所示。界面處有明顯的分層現(xiàn)象，在激光的作用下，WAAM區(qū)中大面積的片層結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)長(zhǎng)DM區(qū)中精細(xì)的網(wǎng)籃結(jié)構(gòu)，并且α板條的厚度逐漸減小。不同區(qū)域晶粒的整體取向差異較大，LDM區(qū)α板條的取向比WAAM區(qū)的更具有隨機(jī)性。

圖4. 結(jié)合區(qū)附近的EBSD圖（a）H-WAAM-LDM；（b）V-WAAM-LDM

Ti-6Al-4V樣品WAAM區(qū)、RZ和LDM區(qū)α板條的TEM結(jié)果如圖5所示。α相為典型的板條態(tài)，而邊界相為β相。WAAM區(qū)、RZ和LDM區(qū)的α板條厚度分別約為1.3μm、0.8μm和1.0μm。與WAAM區(qū)相比，RZ和LDM區(qū)有更多的位錯(cuò)線(DLs)和位錯(cuò)纏結(jié)(DTs)，并且圖5(b)中α和β相電子衍射斑點(diǎn)的Burgers取向關(guān)系為α(1-100)//β(1-11)。

圖5. TEM圖像及對(duì)應(yīng)的電子衍射斑點(diǎn) (a)WAAM區(qū)；(b)RZ；(c)LDM區(qū)

圖6顯示了高分辨率TEM和相應(yīng)的傅里葉變換，進(jìn)一步顯示了RZ中的位錯(cuò)陣列和孿晶結(jié)構(gòu)。在圖6(b)中觀察到厚度為0.248nm的孿晶，圖6(c)中的電子衍射斑點(diǎn)將孿生模式識(shí)別為(1-211)型孿生。由圖6(d)-(f)可以看出，孿晶界兩側(cè)的位錯(cuò)密度不同，LDM區(qū)位錯(cuò)密度明顯高于WAAM區(qū)，且LDM區(qū)晶面間距較小，約為0.2101nm。

圖6. RZ的高分辨率TEM圖像 (a)孿晶顯微組織；(b)孿晶的晶格圖像；(c)孿晶衍射斑；(d)圖(a)的晶面特性；(e)-(f)分別為圖(d)中LDM區(qū)和WAAM區(qū)的晶面特性

2.3.WAAM-LDM樣品的力學(xué)性能
圖7為WAAM-LDM樣品和WAAM、LDM、鑄造以及鍛造樣品在室溫下力學(xué)性能的統(tǒng)計(jì)圖。樣品H-L和V-L的力學(xué)性能與WAAM樣品相似，最大UTS為912±24MPa，最大YS為830±16MPa，強(qiáng)度高于鑄造樣品，略低于LDM樣品。H-T和V-T試樣的強(qiáng)度均高于鑄造樣品，在WAAM和LDM樣品之間，最高的UTS和YS分別為942±19MPa和866±20MPa。除此之外可以看出，四種試樣的伸長(zhǎng)率均超過(guò)10%。

圖7. WAAM-LDM，WAAM，LDM，鑄造以及鍛造樣品的力學(xué)性能

3.討論
3.1. WAAM-LDM樣品宏觀組織形成機(jī)理
對(duì)于H-WAAM-LDM樣品，激光會(huì)將WAAM形成的柱狀晶重熔，并沿原晶界外延生長(zhǎng)。相同方向沉積導(dǎo)致β柱狀晶粒的生長(zhǎng)方向相同。對(duì)于V-WAAM-LDM樣品，WAAM區(qū)的橫向柱狀晶界在激光作用下被再溶解，成為L(zhǎng)DM過(guò)程中晶界的形核點(diǎn)位。在溫度梯度的驅(qū)動(dòng)下，β相的晶核優(yōu)先沿<100>方向生長(zhǎng)。因此，WAAM區(qū)和LDM區(qū)的柱狀晶相互垂直。關(guān)注公眾號(hào): 增材制造碩博聯(lián)盟，免費(fèi)獲取海量增材資料，聚焦增材制造科研與工程應(yīng)用！

圖8. β柱狀晶形成示意圖（a）H-WAAM-LDM；（b）V-WAAM-LDM樣品

3.2. WAAM-LDM樣品微觀組織形成機(jī)理
RZ相變過(guò)程如圖9所示，當(dāng)溫度超過(guò)Tβ時(shí)，整個(gè)微觀組織從α+β相轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷卅孪唷�極高的冷卻速率導(dǎo)致在e點(diǎn)形成馬氏體α’，如圖9（e）所示。在LDM第2層的影響下，RZ的溫度沒(méi)有達(dá)到Tβ，但是超過(guò)了馬氏體α’的分解溫度，不穩(wěn)定的馬氏體α’發(fā)生原位分解，轉(zhuǎn)變?yōu)棣?β相。因此，在e點(diǎn)只觀察到少量的馬氏體α’。在后續(xù)的熱循環(huán)的作用下，組織發(fā)生粗化，因此在g點(diǎn)觀察到的α板條厚度比在e點(diǎn)觀察到的略寬。

圖9. RZ中的熱循環(huán)以及微觀組織演變的示意圖

3.3. 力學(xué)性能分析
一方面，WAAM過(guò)程中相對(duì)較低的冷卻速率和隨后的熱循環(huán)導(dǎo)致更粗的α集束，α集束的大小通過(guò)影響有效滑移長(zhǎng)度來(lái)決定UTS，一般來(lái)說(shuō)，α集束大小與UTS成反比。另一方面，WAAM區(qū)粗糙的αGB也降低了樣品的力學(xué)性能。而在LDM區(qū)，具有良好抗蠕變和高溫性能的網(wǎng)籃組織填充了整個(gè)β晶粒，它可以提高LDM區(qū)抗滑移變形的能力。然而，針狀α相的位錯(cuò)密度相對(duì)較高，導(dǎo)致LDM樣品的延伸率較低。與H-L樣品相比，H-T和V-T樣品的伸長(zhǎng)率略有下降。一方面，H-T和V-T為非均勻樣品，應(yīng)變的不均勻性導(dǎo)致伸長(zhǎng)率下降。另一方面，在激光作用下，針狀α相的出現(xiàn)導(dǎo)致了樣品伸長(zhǎng)率的降低。

3.4. 斷裂行為分析

H-WAAM-LDM樣品中WAAM區(qū)較大的α集束導(dǎo)致滑移長(zhǎng)度增加，從而導(dǎo)致YS減小，裂紋擴(kuò)展阻力與YS成正比。此外，拉伸樣品邊緣的β晶粒不完整，晶粒內(nèi)部暴露的α板條導(dǎo)致裂紋從WAAM區(qū)邊緣開(kāi)始，最終貫穿整個(gè)樣品。垂直于柱狀β晶界的載荷促進(jìn)了αGB的過(guò)早破壞，成為材料斷裂時(shí)的自然斷裂路徑。因此，當(dāng)拉伸載荷垂直于晶界時(shí)，αGB易發(fā)生晶間斷裂，導(dǎo)致相鄰β柱狀晶粒分離。圖10分別為試樣H-T的內(nèi)部柱狀晶粒生長(zhǎng)圖、裂紋處顯微組織和裂紋擴(kuò)展示意圖。裂紋始終沿著網(wǎng)籃組織擴(kuò)展，如圖10(b)所示，由于網(wǎng)籃組織中的α相具有多種晶體取向，當(dāng)相鄰晶粒的晶體取向不同時(shí)，裂紋尖端在晶界處發(fā)生偏轉(zhuǎn)，裂紋以“Z”形推進(jìn)。

圖10. (a)H-T樣品柱狀晶示意圖；(b)裂紋處顯微組織；(c)裂紋擴(kuò)展示意圖

4.主要結(jié)論

1）WAAM-LDM工藝制備的Ti-6Al-4V樣品的結(jié)合區(qū)結(jié)合良好，無(wú)明顯缺陷。

2）WAAM區(qū)和HAZ以粗α集束為主，LDM區(qū)和RZ以細(xì)網(wǎng)籃組織為主，并夾雜著針狀α相。

3）細(xì)針狀α相的存在導(dǎo)致結(jié)合區(qū)的強(qiáng)度高于WAAM區(qū)，并且所有樣品的力學(xué)性能均超過(guò)鑄件。粗集束組織和αGB導(dǎo)致WAAM區(qū)成為斷裂起裂點(diǎn)，裂紋始終沿網(wǎng)籃組織擴(kuò)展。

4）α板條的細(xì)化和大量位錯(cuò)導(dǎo)致RZ和LDM區(qū)的顯微硬度升高，最高平均顯微硬度達(dá)到393.4HV0.2。