Acta Mater.: 增材制造钛合金屈服强度的预测


【引言】

当在研发新型材料或先进加工技术时,研究者致力于探究材料的成分、工艺、结构、性质与性能之间的相互关系,以达到调控材料性能的目的。其中公式法仅适用于单元素或单相系统,在面对具有复杂和多重变量的工程应用合金时,则具有很大的局限性,然而建立模型可以解决这一问题。增材制造是材料加工的新型技术,目前对于定向能量沉积制备的钛合金,尚未建立模型以预测其屈服强度。

【成果简介】

近日,美国爱荷华州立大学、先进有色结构合金研究中心的Peter C Collins教授(通讯作者)等人通过演算并呈现出一个本构方程,其可准确预测出经三种热处理工艺增材制造得到Ti-6Al-4V钛合金的屈服强度,这一研究成果以“Predicting tensile properties of Ti-6Al-4V produced via directed energy deposition”为题发表在Acta Mater.上。

【图文导读】

图1 Ti-6Al-4V钛合金沿厚度方向横截面组织的变化测试。

Ti-6Al-4V钛合金沿厚度方向横截面组织的变化,选取区域A和B进行测试;其中区域A对应的晶粒受到较大程度地延长并平行于Z方向,区域B由Y方向上的晶粒组成。

图2 三种热处理工艺后电子束增材制造Ti6-6Al-4V钛合金的微观组织

(a)AM-α+β应力释放; (b)AM-α+β热等静压; (c)AM-β退火。

图3 织构对于力学性能的影响

(a)经β退火增材制造得到的钛合金,在3个主方向和对应3个旋转45°方向上强织构的屈服应力;

(b)α相和β相的织构;

(c){001}方向上β相和伯格斯取向关系中产生α变量对应的滑移系。

图4 扫描电镜背散射电子下的微观组织


(a,b)对应区域A; (c,d)对应区域B。

图5 AM-α+β热等静压试样的TEM研究结果


(a)HAADF STEM图像在板条状α相周围出现少量的位错; (b)选区放大图;

(c)图(b)中的微区晶粒取向; (d)由图(c)得到的位错密度分布图。

图6 AM-α+β应力释放试样的TEM研究结果


(a)HAADF STEM图像在板条状α相周围出现大量的位错;

(b)选区放大图;

(c)图(b)中的微区晶粒取向;

(d)由图(c)得到的位错密度分布图。

图7 三种热处理工艺试样背散射图谱的灰度强度分布


实线代表AM-α+β去应力退火状态;

虚线代表AM-α+β热等静压处理状态。

图8 预测屈服强度值和实验测定屈服强度值的对比


由图可以看出,绝大部分实验数据(84%)处于与预测屈服强度5%的误差范围内,这说明预测值的准确度较高。

图9 不同条件下的累积概率分布函数

(a)AM-α+β去应力退火;

(b)AM-α+β热等静压;

(c)AM-β退火;

(d)综合数据和模型。

图10 各参数对三种热处理试样的屈服强度的绝对贡献

图11 各参数对三种热处理试样的屈服强度的贡献比例


由图10和11可以看出,固溶强化对屈服强度的贡献是最大的,然而泰勒强化作用是主要的微观结构强化参数,其仅存在于AM-α+β去应力状态下。

【小结】

本文报道了通过电子束增材制造得到Ti-6Al-4V钛合金,着重讨论了其单向拉伸的屈服强度。此项研究中演算并呈现出一个本构方程,可准确预测增材制造的钛合金及经三种热处理(AM-α+βSR、AM-α+βHIP和AM-β退火)后的屈服强度,其中屈服强度的预测误差通常在其实验测试值的5%以内。

【文献信息】
文献链接:Predicting tensile properties of Ti-6Al-4V produced via directed energy deposition(Acta Mater., 2017,DOI:10.1016/j.actamat.2017.05.025)

本文由材料人编辑部金属材料学术组张怡供稿,欧洲足球赛事 编辑整理。

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