《IJP》：微观剪切带提升增材制造钛合金的韧塑性！

钛合金因其具有密度小、比强度高、耐腐蚀等特点被广泛应用于航空航天、生物医疗和汽车制造等领域，是国防工业的重要材料之一。传统的钛合金制备工艺如铸-锻成型具有材料利用率低，周期长等不足。随着现代工业化发展，激光增材制造（Laser Additive Manufacturing，LAM），又称“激光3D打印”，成为一种新兴的绿色智能钛合金制造方法。激光增材制造可实现构件无模具数字化快速成形，具有设计和制造一体化、加工精度高、周期短等特点。激光增材制造钛合金具有独特的显微组织结构，与锻件组织差异明显，目前的研究多集中于显微组织对室温拉伸等宏观力学性能的影响研究，较少从微纳尺度研究组织的变形行为。

为研究激光增材制造钛合金独特显微组织在微观尺度的变形机理，加拿大多伦多大学材料系邹宇教授课题组和北京航空航天大学何蓓副研究员合作，研究了激光增材制造Ti-6Al-2Zr-Mo-Zr钛合金的微观组织结构，微观力学性能，微观变形行为及其与宏观塑性性能之间的关系。研究发现，激发微观尺度的剪切带能有效提升增材制造钛合金的塑性变形能力。相关工作成果于2022年发表在《International Journal of Plasticity》上，第一作者为多伦多大学博士生刘志颖，主要合作者北京航空航天大学博士生李仁楷。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2022.103387

该工作先是表征了激光增材制造沉积态和两种热处理态（低于相转变温度的双重退火和高于相转变温度的随炉冷却）Ti-6Al-2Zr-Mo-Zr钛合金的微观组织结构，并对三种样品进行了原位拉伸测试（图1）。

图1. 三种状态（沉积态，双重退火和随炉冷却）的Ti-6Al-2Zr-Mo-Zr钛合金的组织结构和原位拉伸力学性能(小试样，样品厚度为500微米)。

拉伸结果表明沉积态和双重退火样品具有更加优异的强度和拉伸塑性。原位表征发现沉积态和双重退火样品在中均出现了两种微观变形特征：位错滑移带和微观剪切带（图2）。

图2. 原位拉伸过程中滑移带和剪切带在沉积态和双重退火样品中的形成。

一方面，该工作对滑移带和剪切带的形成进行了系统分析。通过对沉积态样品中特定的滑移带和剪切带进行迹线分析，揭示了两种微观变形均出现在六方结构的α相中且两种微观变形均源自于位错的运动： 型位错主导滑移带的产生； 型位错主导剪切带的产生。通过对沉积态样品进行高通量纳米力学测试，表明了滑移带出现在拉伸过程中较软的α相而剪切带出现在较硬的α相。此外，剪切带的形成还与相的空间形貌和软硬相之间的协同变形有关。

另一方面，该工作探讨了微观剪切带提升材料宏观塑性变形的原因：（1）剪切带相较于传统滑移带能容纳更多的塑性变形。（2）微观剪切带均匀分散在材料中，能有效分散材料塑性变形，减少应力/应变集中，延缓材料的不均匀变形和颈缩。（3）剪切带出现于较硬的组织结构中，表明硬质相不仅能提高材料强度，同时能通过开动剪切带提升材料塑性。

图3. 产生滑移带（SLB-1,SLB-2 和SLB-3）和剪切带(MSB-1,MSB-2 和MSB-3)的α晶粒的组织结构和迹线分析： 型位错主导的滑移带的产生； 型位错主导剪切带的产生。

图4. 沉积态样品微观组织结构，微观尺度硬度和模量的分布，和微观塑性变形之间的联系。

该工作首次发现了可以通过激活微观剪切带提升增材制造金属材料的韧塑性，同时提出了通过调控钛合金组织结构（组成相的结构形貌和空间分布）和微观力学性能（组成相的硬度）来激发不同的微观塑性变形行为（滑移带和剪切带），从而提升钛合金整体的塑性变形能力。同时，该工作表明多尺度(微观-宏观)的力学研究是探索具有复杂组织结构的增材制造金属材料变形机理的有效手段。增材制造金属材料韧塑性的提升将拓宽激光3D打印技术在金属结构材料领域的应用，使得现代工业朝着更高效，更绿色和更多元的方向继续发展。

背景阅读：激光增材制造钛合金组织结构及多尺度力学性能

• Zhiying Liu, Bei He, Tianyi, Yu Zou*. Additive manufacturing of titanium alloys for aerospace applications: directed energy deposition and beyond Ti-6Al-4V. JOM 73, 1804–1818 (2021). https://doi.org/10.1007/s11837-021-04670-6

• Zhiying Liu, Jiahui Zhang, Bei He, Yu Zou*. High-speed nanoindentation mapping of a near-alpha titanium alloy made by additive manufacturing. Journal of Materials Research (2021). https://doi.org/10.1557/s43578-021-00204-7

• Renkai Li, Huaming Wang, Bei He*, et al., Effect of α texture on the anisotropy of yield strength in Ti–6Al–2Zr–1Mo–1V alloy fabricated by laser directed energy deposition technique. Materials Science and Engineering: A. 2021(824):141771.https://doi.org/10.1016/j.msea.2021.141771

*感谢论文作者团队对本文的大力支持。

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