​兩篇《IJP》：揭示增材制造鈦合金微觀尺度的變形和失效行為

來源：材料科學與工程

鈦合金具有密度小、比強度高、耐蝕性好等特點被廣泛應用于航空航天、生物醫(yī)療和能源化工等領(lǐng)域，是國防工業(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，激光增材制造可實現(xiàn)構(gòu)件無模具數(shù)字化快速成形，具有設計和制造一體化、材料利用率高、周期短等特點。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理還需要進一步分析研究。

加拿大多倫多大學材料系鄒宇教授課題組聯(lián)合北京航空航天大學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)表在國際塑性頂刊《International Journal of Plasticity》上。第一作者均為多倫多大學劉志穎博士，主要合作者包括多倫多大學材料科學與工程 Sobhan Dash博士, 博士生張家琿，呂天易和朗力中, 北京航空航天大學何蓓副研究員和李仁楷博士以及多倫多城市大學陳道倫教授。多倫多大學鄒宇教授為通訊作者。

第一項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)部應力/應變集中，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度，同時能通過開動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。

第二項工作進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相對裂紋萌生和擴展的影響。其次探討了熱處理對組織結(jié)構(gòu)和裂紋萌生和擴展的影響。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alpha晶粒，沿著alpha六方結(jié)構(gòu)的基面和柱面擴展，展現(xiàn)出明顯的晶體取向相關(guān)性。同時，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，通過同時考慮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測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特的細小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微觀剪切帶的形成和裂紋萌生擴展的重要影響，進而解釋了微觀尺度下的alpha相的變形失效機理。上述工作也強調(diào)了通過調(diào)控alpha相的尺寸，晶體取向，空間取向和層片狀形貌，能進一步制備出具有高力學性能，符合工業(yè)應用要求的增材制造鈦合金。毫無疑問，提升增材制造金屬材料韌塑性和阻礙疲勞裂紋萌生擴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展路徑。主要沿著alpha晶界擴展，裂紋擴展過程中alpha晶粒的塑性變形小。

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

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

【課題組招聘】
目前招聘的幾個方向包括（但不限于）：
（1）原位小尺度材料在極端條件下的力學行為，以及多物理場耦合；
（2）納米高熵合金材料力學行為和熱穩(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)學的應用；
（4）耐磨耐腐蝕涂層開發(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打印機的裝備設計開發(fā)；
（8）機器學習和高通量方法在材料設計和智能制造中的應用；
（9）冷噴涂新型結(jié)構(gòu)材料
（10）金屬材料力學位錯理論基本研究。      


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