華南理工大學《Acta Materialia》：增材制造雙相鈦合金的高溫斷裂行為
2024-08-19 16:45:54
作者：材料科學與工程 來源：材料科學與工程
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華南理工大學機械與汽車工程學院王智教授課題組聯合新加坡南洋理工大學Upadrasta Ramamurty教授團隊在金屬材料頂級期刊Acta Materialia在線發表論文“High-Temperature Fracture Behavior of an α/β Titanium Alloy manufactured using Laser Powder Bed Fusion”。華南理工大學博士研究生謝美燊為第一作者，南洋理工大學Huang Sheng博士和華南理工大學王智教授為共同通訊作者，南洋理工大學Upadrasta Ramamurty教授為合作作者。該項成果揭示了均勻β相韌帶分布對雙相片層組織鈦合金的高溫斷裂行為和疲勞行為的影響機理。
激光粉末床熔融技術( L-PBF )增材制造鈦合金在航空航天有著廣泛的應用前景，本工作采用L-PBF制備出Ti-6Al-3Mo-1Zr雙相鈦合金，研究室溫和高溫下的拉伸力學性能、斷裂韌性和抗疲勞性能。首先揭示了打印態（近全馬氏體）和退火態組織（α+β片層）的形成及其與拉伸性能、斷裂韌性和疲勞裂紋擴展行為的關系。發現打印態合金形成粗大柱狀初生β晶粒，在β晶粒內部形成精細亞穩態馬氏體組織，在馬氏體組織中存在高密度位錯、層錯和孿晶等。退火后在板條間析出β相韌帶，轉為α+β片層組織，尺寸依然保留打印態快冷的細小特征，如圖3所示。隨著力學性能測試溫度的增加，打印態合金強度下降而斷裂韌性先增加后降低。退火導致合金在室溫和高溫下強度降低，但延伸率、斷裂韌性均有所提高，如圖4和表1所示。其次闡明了α+β片層組織中β相韌帶在合金強韌化中的關鍵作用。β相韌帶緩解了沿初始β晶界的局部應變程度，從而抑制孔洞在初始β晶界處萌生和長大，如圖5至圖7所示。盡管抗疲勞裂紋擴展阻力在Paris區隨溫度升高而下降，但在近門檻區隨溫度升高而提高，主要是蠕變誘導的裂紋尖端鈍化所致，如圖8至圖10和表2所示。此外，在300 °C退火的樣品中觀察到雙Paris指數現象（圖8d），轉折點歸因于氫輔助裂紋擴展，β相提供了氫加速擴散途徑。本工作揭示了β相含量對L-PBF制備Ti-6Al-3Mo-1Zr雙相鈦合金的室溫/高溫斷裂行為和疲勞行為的作用機理，為增材制造鈦合金的斷裂失效行為研究提供了參考。https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120211
圖3.合金的顯微組織（高倍BSE-SEM）：（a, b）打印態（α'馬氏體板條，β相含量可忽略不計）；（c, d）熱處理態（α+β片層結構，β相含量顯著）。
圖4.打印態和熱處理態合金的力學行為分析：（a）拉伸曲線；（b）屈服強度、抗拉強度和斷裂韌性隨溫度的變化；（c）均勻伸長和斷裂應變隨溫度的變化。熱處理態合金在高溫下由于存在β韌帶具有更優異的塑性和斷裂韌性。
圖5.打印態和熱處理態合金拉伸變形后靠近斷口的拋光側截面：（a-d）打印態；（e-h）熱處理態。打印態合金在高溫下沿初始β晶界發生明顯的孔洞形核和長大。
表2.打印態和熱處理態合金的疲勞裂紋擴展性能總結。
圖9.打印態和熱處理態合金在近門檻區的疲勞裂紋擴展路徑：（a-d）打印態；（e-h）熱處理態。
圖10.受永久變形區尺寸影響的疲勞裂紋鈍化示意圖（有蠕變和無蠕變情況下）。
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