钛合金是航空航天制造业中用量最大的一种金属材料，其中又以Ti-6Al-4V (Ti64)应用最为广泛。由于钛合金切削加工困难，激光选区熔化(Selective Laser Melting, SLM)作为一种增材制造新工艺，受到广泛关注。SLM-Ti64具有独特的α′马氏体显微组织 (图1)。其力学性能呈现“强度高、塑性差”的特点。学术界普遍认为SLM-Ti64塑性差与α′相的脆性有关。然而，对材料变形机制的理解仍然较为匮乏。
图1. SLM-Ti64的典型显微组织
轻合金研究所王乐耘特别研究员与曾小勤教授团队利用美国APS光源的同步辐射衍射线站对由EOS M280设备成型的SLM-Ti64样品进行了原位拉伸实验。通过分析样品中不同衍射峰在材料屈服点附近的晶格应变，结合弹塑性自洽模型，测得α′相各滑移系的临界剪切应力(CRSS)。发现α′相的塑性变形更容易由单一位错系（基面滑移）主导。由于基面滑移系数量少，且与α′相板条垂直，导致材料的塑性差。对SLM-Ti64在900 C热处理后，α′相转化为α相，后者可以同时启动基面滑移和柱面滑移，因此材料的塑性得到了明显提升 (图2)。进一步分析表明，α′相的初始位错密度较高，但在变形过程中，位错浓度增长较慢，制约了材料的加工硬化能力。与之相比，热处理后样品中的α相的初始位错浓度较低，但在材料变形后位错浓度迅速上升 (图3)。除了α′相外，还研究了残余 相的应力集中对材料塑性的影响。
图2. as-SLMed和HT-900两个样品在不同拉伸应变下α?/α衍射峰的演化。通过分析晶格应变，获得每个样品中的变形机制。
图3. as-SLMed和HT-900两个样品中位错密度 (ρ)的演化趋势。
该工作以“Effect of heat treatment on the tensile behavior of selective laser melted Ti-6Al-4V by in situ X-ray characterization”为题发表在金属材料权威期刊Acta Materialia (https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.03.003)。硕士生张鼎昌为论文第一作者，王乐耘特别研究员为论文通讯作者。论文主要合作者还包括美国APS光源以及中国航空制造技术研究院的研究人员。
该工作得到了上海交通大学轻合金精密成型国家工程研究中心(NERC-LAF)以及金属基复合材料国家重点实验室(SKL-MMC)的支持。
激光天地转载自：上海交通大学材料与科学网站
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