应用于增材制造：通过原位中子衍射研究Ti-6Al-4V中的应力松弛行为和机制

1　研究背景
钛合金由于其较高的比强度和较好的耐腐蚀性能而广泛应用于航空航天和医疗行业。增材制造与传统的减材制造相比，可以加工制造形状结构更为复杂的工件，同时也很大程度的减少了原材料的浪费，因此以钛合金为原材料的增材制造技术在航空航天和医疗领域的应用越来越广泛。在增材制造加工过程中，熔化的材料在凝固时发生收缩，并且会在随后冷却时进一步收缩。在逐层加工过程中，邻近熔池和熔池下方的材料会经历复杂的热循环，这会导致沉积层产生额外的膨胀和收缩循环。在连续的逐层沉积过程中，复杂的热循环会导致残余应力的累积，累积的残余应力可能会导致部件变形，严重时甚至产生开裂，从而降低工件的尺寸精度和完整性。在沉积期间累积或释放的残余应力的量取决于沉积材料和基板的应力松弛行为，而且层间间隔时间和温度对应力松弛行为有很大的影响。增材制造中的热力学模型可以用来预测工件制造过程中残余应力和变形，并且可以通过优化工艺参数来最大限度的减小工件的残余应力和变形。因此正确认识增材制造中的应力松弛行为可以改进热-力模型，从而改善其在AM零件制造期间预测残余应力的能力。

2　研究过程
作者在本文中以Ti-6Al-4V作为研究对象，分别对传统加工(CP)和增材制造(AM)的两种试样进行实验分析，并且试样的形状为圆柱形，直径5mm，长度10mm。随后将试样分别加热到600℃和700℃，接着进行准静态单轴压缩试验，应变速率为7.8×10-4/s，压缩后的工程应变为0.045。在实验过程中应变量始终保持不变，在恒定温度下应力随着时间的增加而减小，即出现了应力松弛行为。在实验过程中，作者采用中子衍射技术对试样的应力松弛行为进行原位观察来研究Ti-6Al-4V的应力松弛机制。

3　图文导读

图一  原位中子衍射法测量轴向和横向晶格应变的压缩实验示意图

中子衍射技术除了可以测量晶格应变外，也可以用来估计α相的相对体积分数变化。

图二  传统加工和AM试样在600℃和700℃温度下的应力松弛曲线

图中可以看出，在一定的温度和给定的应变条件下，应力迅速的减小，在初始10分钟内，600℃时的应力释放了60-65%，700℃的应力释放了70-80%；随后应力松弛行为以较慢的速度进行，最后降低至15MPa左右。

图三 AM试样的轴向方向加热、加载和应力松弛行为对应的中子衍射图谱  

图中黑线向红线的转变对应为加热过程，红线向黄线的转变对应加载过程，黄线向蓝线的转变对应应力松弛过程。图中标注的峰均为α相，并且对101峰进行了放大对比。

图四 在室温环境下未发生压缩的试样的显微组织图像

图(a)为传统加工试样的显微组织图，图(b)为增材制造试样的显微组织图，可以从图(b)中很明显的看到针状马氏体组织，亮色为α相区域，暗色为β相区域，原理是Kroll腐蚀剂优先腐蚀β相。

表一 Ti-6Al-4V在传统加工和增材制造情况下不同温度下的体积分数

图五

图五(a)、(b)分别为600℃时传统加工和增材制造的晶格应变随时间变化的曲线图，图(c)、(d)分别为700℃时传统加工和增材制造的晶格应变随时间变化的曲线图。从图中可以看出晶格应变随时间变化的趋势与图二中应力随时间变化的趋势是一致的，传统加工和增材制造的α相晶格应变发生了明显的减小，而β相的晶格应变随时间变化没有明显的规律。与此同时，还可以发现随着温度的升高，应变松弛速率增加。

4　总结
1、在600℃和700℃时，宏观应力和晶格应变在90分钟内均快速减小到可以忽略的水平，并且随着温度的升高，应变松弛速率增加，峰值应力减小，最后传统加工和增材制造试样的应力均趋于稳定的应力值，没有明显区别；

2、在相同的温度与应变时，与传统加工制备的试样相比，AM试样具有较低的应力峰值和应力松弛速率；

3、在600℃和700℃时，应力松弛不是由相变(α→β)引起的，也不是由载荷从α相到β相转移实现的，作者推测应力松弛可能是通过位错的滑移和攀移实现的。

本文由高温合金精密成型研究中心2018级硕士-谭志俊编辑整理