​两篇《IJP》：揭示增材制造钛合金微观尺度的变形和失效行为

来源：材料科学与工程

钛合金具有密度小、比强度高、耐蚀性好等特点被广泛应用于航空航天、生物医疗和能源化工等领域，是国防工业的重要材料之一。传统的钛合金制备工艺如铸-锻成形具有材料利用率低、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、材料利用率高、周期短等特点。然而，激光增材制造钛合金具有明显区别于锻件的显微组织，使得其具有独特的变形和失效行为。目前激光增材制造钛合金的变形和失效机理还需要进一步分析研究。

加拿大多伦多大学材料系邹宇教授课题组联合北京航空航天大学研究了激光增材制造Ti-6Al-2Zr-Mo-Zr钛合金的变形和失效行为。相关工作成果连续发表在国际塑性顶刊《International Journal of Plasticity》上。第一作者均为多伦多大学刘志颖博士，主要合作者包括多伦多大学材料科学与工程 Sobhan Dash博士, 博士生张家珲，吕天易和朗力中, 北京航空航天大学何蓓副研究员和李仁楷博士以及多伦多城市大学陈道伦教授。多伦多大学邹宇教授为通讯作者。

第一项工作着重讨论了增材制造钛合金在微观尺度的塑性变形行为。该工作首次报道了微观剪切带的形成能有效提升增材制造钛合金的塑性变形能力。微观剪切带的形成对宏观塑性变形的影响可以归结为以下原因：（1）微观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，能有效减少材料内部应力/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整体塑性（图1）。

图1. SEM 和EBSD 分析表明3条剪切带（MSB-1，2，3）出现在较硬的alpha晶粒中。

第二项工作进一步讨论了增材制造钛合金在微观尺度的失效行为。该工作研究了增材制造钛合金中alpha相对裂纹萌生和扩展的影响。其次探讨了热处理对组织结构和裂纹萌生和扩展的影响。结果表明在热处理之前，裂纹主要沿着alpha相的界面扩展，二次裂纹也出现在alpha相的界面 （图2）。但是热处理之后，随着晶粒尺寸增加，alpha相的局部塑性变形能力增加，裂纹更倾向于穿过alpha晶粒，沿着alpha六方结构的基面和柱面扩展，展现出明显的晶体取向相关性。同时，二次裂纹也出现在alpha晶粒的内部（特别是柱面）而非界面，而且发现二次裂纹的萌生也和alpha相的空间取向有关 （图3）。因此，通过同时考虑alpha相的晶体取向和空间取向等因素，该工作提出了新的模型预测增材制造钛合金二次裂纹的萌生。

上述工作不仅清晰的描述了增材制造钛合金中独特的细小alpha层片状结构，该结构区别于铸件材料中的粗大等轴状结构。同时阐明了增材制造钛合金中alpha相的晶粒尺寸和层片状形貌对微观剪切带的形成和裂纹萌生扩展的重要影响，进而解释了微观尺度下的alpha相的变形失效机理。上述工作也强调了通过调控alpha相的尺寸，晶体取向，空间取向和层片状形貌，能进一步制备出具有高力学性能，符合工业应用要求的增材制造钛合金。毫无疑问，提升增材制造金属材料韧塑性和阻碍疲劳裂纹萌生扩展的能力将拓宽激光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。

图2. 裂纹在未热处理的钛合金中的扩展路径。主要沿着alpha晶界扩展，裂纹扩展过程中alpha晶粒的塑性变形小。

图3. 裂纹在热处理的钛合金中的扩展路径。主要是穿过alpha晶粒扩展，裂纹扩展过程中alpha晶粒的塑性变形大。

【加拿大多伦多大学邹宇教授课题组主页】
https://www.zou-mse-utoronto-ca.net/

【课题组招聘】
目前招聘的几个方向包括（但不限于）：
（1）原位小尺度材料在极端条件下的力学行为，以及多物理场耦合；
（2）纳米高熵合金材料力学行为和热稳定性研究；
（3） 3D打印钛合金、铝合金和及其他合金材料在航空航天以及生物医学的应用；
（4）耐磨耐腐蚀涂层开发；
（5）金属纳米材料电催化；
（6）固态电池的力电耦合；
（7）新型激光3D打印机的装备设计开发；
（8）机器学习和高通量方法在材料设计和智能制造中的应用；
（9）冷喷涂新型结构材料
（10）金属材料力学位错理论基本研究。      


论文链接：
Doi.org/10.1016/j.ijplas.2022.103387
Doi.org/10.1016/j.ijplas.2023.103819