鈦合金是航空航天製造業中用量最大的一種金屬材料，其中又以Ti-6Al-4V (Ti64)應用最為廣泛。由於鈦合金切削加工困難，激光選區熔化(Selective Laser Melting, SLM)作為一種增材製造新工藝，受到廣泛關注。SLM-Ti64具有獨特的α′馬氏體顯微組織 (圖1)。其力學性能呈現“強度高、塑性差”的特點。學術界普遍認為SLM-Ti64塑性差與α′相的脆性有關。然而，對材料變形機制的理解仍然較為匱乏。
圖1. SLM-Ti64的典型顯微組織
輕合金研究所王樂耘特別研究員與曾小勤教授團隊利用美國APS光源的同步輻射衍射線站對由EOS M280設備成型的SLM-Ti64樣品進行了原位拉伸實驗。通過分析樣品中不同衍射峰在材料屈服點附近的晶格應變，結合彈塑性自洽模型，測得α′相各滑移系的臨界剪切應力(CRSS)。發現α′相的塑性變形更容易由單一位錯系（基面滑移）主導。由於基面滑移係數量少，且與α′相板條垂直，導致材料的塑性差。對SLM-Ti64在900 C熱處理後，α′相轉化為α相，後者可以同時啟動基面滑移和柱面滑移，因此材料的塑性得到了明顯提升 (圖2)。進一步分析表明，α′相的初始位錯密度較高，但在變形過程中，位錯濃度增長較慢，制約了材料的加工硬化能力。與之相比，熱處理後樣品中的α相的初始位錯濃度較低，但在材料變形後位錯濃度迅速上升 (圖3)。除了α′相外，還研究了殘餘 相的應力集中對材料塑性的影響。
圖2. as-SLMed和HT-900兩個樣品在不同拉伸應變下α?/α衍射峰的演化。通過分析晶格應變，獲得每個樣品中的變形機制。
圖3. as-SLMed和HT-900兩個樣品中位錯密度 (ρ)的演化趨勢。
該工作以“Effect of heat treatment on the tensile behavior of selective laser melted Ti-6Al-4V by in situ X-ray characterization”為題發表在金屬材料權威期刊Acta Materialia (https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.03.003)。碩士生張鼎昌為論文第一作者，王樂耘特別研究員為論文通訊作者。論文主要合作者還包括美國APS光源以及中國航空製造技術研究院的研究人員。
該工作得到了上海交通大學輕合金精密成型國家工程研究中心(NERC-LAF)以及金屬基複合材料國家重點實驗室(SKL-MMC)的支持。
激光天地轉載自：上海交通大學材料與科學網站
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