宁波大学顶刊：增材制造钛合金的高温冲击动态响应和失效机理

来源：材料科学与工程

随着我国航空航天、国防军事等事业发展越来越快，对增材制造技术及其产品的需求越来越大，越来越多的增材制造零件被应用在航天器、武器装备的关键部位。由于服役环境苛刻，这些部件经常会承受高速冲击载荷的作用，如武器装备的毁伤和外太空中碎片对飞行器的撞击威胁（高应变率条件），外空间探测器着陆和飞鸟撞机（中低应变率条件）等。因此要求其在规定的冲击载荷下能保证结构的完整性和连续性，这对增材制造零件在极端加载条件下的动态承载能力提出了越来越高的要求。

宁波大学冲击与安全工程教育部重点实验室王永刚教授课题组与华南理工大学机械与汽车工程学院王迪教授、中国工程物理研究院流体物理研究所李治国副研究员、德国莱布尼兹固态与材料研究所Konrad Kosiba博士等合作，研究了激光选区熔化增材制造Ti-6Al-4V合金在高温冲击载荷下的动态响应和失效破坏机理，揭示了高温高应变率条件下绝热剪切带形成及其微观组织演变规律。相关论文以题为“Dynamic compressive properties and underlying failure mechanisms of selective laser melted Ti-6Al-4V alloy under high temperature and strain rate conditions”发表在Additive Manufacturing上。

论文链接https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.102772

如图1所示，在室温条件下，低应变率时的激光选区熔化Ti-6Al-4V合金仍然表现出较强的应变硬化效应，但是随着随着加载应变率的增加，材料的塑性变形区呈现软化的趋势，说明在应变率强化效应和绝热温升效应的竞争中，后者已经占据上风。当加载温度升高时，热软化效应带来的影响更为明显，材料的塑性变形区已经呈现明显的下降趋势，此时，由高温导致材料的流动性增加，对应的应变也随之增大。由于增材制造钛合金表现出一定的脆性，在低温或者高应变率条件下，试样倾向于完全破裂，而在高温条件下，由于钛合金的导热性较差，极易发生绝热剪切破坏。

图1不同温度和应变率下的激光选区熔化Ti-6Al-4V合金的动态应力-应变曲线。

图2为650℃/6000s-1下激光选区熔化Ti-6Al-4V合金中的绝热剪切带(adiabatic shear band, ASB )及其附近区域的微观形貌，剪切带大致沿着加载方向45°的方向扩展，也是剪切力最大的方向。剪切带周围的轻度变形区的板条状马氏体已经弯曲，重度变形区的马氏体已经弯曲破碎，剪切带内的晶粒组织已经细化成纳米尺度。

图2  650℃/6000s-1加载条件下激光选区熔化Ti-6Al-4V合金试样中的微观组织形貌。(a)未变形区，(b,c) 中等变形区，(d)重度变形区，(e,f) 绝热剪切带及其内部形貌。

如图3所示，在高温冲击载荷作用下，材料的微观组织和织构发生明显变化。在剪切带及其周边区域产生大量的细小的等轴再结晶晶粒，平均晶粒尺寸由原始态的4.4μm2减小至650℃/6000s-1时的1.44μm2，而织构强度从2.35增加到9.34。剪切带内的晶粒尺寸进一步减至0.41μm2，而织构强度则增至11.13，表明在冲击过程中，再结晶晶粒能够自我调整以适应剪切变形。

图3高温高应变率加载条件下的晶粒形貌、织构和晶粒尺寸统计图。(a)未加载材料，(b)650℃/6000s-1条件下，(c) 剪切带内。

图4变形马氏体反映了在高温冲击激光选区熔化TC4合金的微观组织演变状态。(a,b) 菊池带衬度图和IPF图，(c,d)变形马氏体上线段L1和L2上的取向差，(c)板条状马氏体在冲击载荷下的变形机理。

研究发现，与传统钛合金（轧制、铸造等）不同，增材制造TC4合金中主要以细小的板条状马氏体为主。在冲击载荷下，微观组织的演变机理除了有动态再结晶，还有变形孪晶伴生的α板条横向断裂机理。其过程分析如下：原始态的板条轴线近似平行于剪切方向，垂直于板条纵轴形成一簇LAGB。在冲击载荷的作用下，板条在LAGB的末端开始收缩。随着变形的进行，LAGB的取向差增大，更多的位错形成、堆积，部分位错转变为变形孪晶。LAGB逐渐扩展直至贯穿整个板条。同时，板条轴线倾斜，使其更加垂直于加载方向，如阶段II所示。在第III阶段，板条倾斜加剧，变形孪晶沿着LAGB继续生长，直到板条被穿透，从而导致板条横向断裂。