Acta Mater.: 增材制造鈦合金屈服強度的預測
【引言】
當在研發新型材料或先進加工技術時，研究者致力于探究材料的成分、工藝、結構、性質與性能之間的相互關系，以達到調控材料性能的目的。其中公式法僅適用于單元素或單相系統，在面對具有復雜和多重變量的工程應用合金時，則具有很大的局限性，然而建立模型可以解決這一問題。增材制造是材料加工的新型技術，目前對于定向能量沉積制備的鈦合金，尚未建立模型以預測其屈服強度。
【成果簡介】
近日，美國愛荷華州立大學、先進有色結構合金研究中心的Peter C Collins教授(通訊作者)等人通過演算并呈現出一個本構方程，其可準確預測出經三種熱處理工藝增材制造得到Ti-6Al-4V鈦合金的屈服強度，這一研究成果以“Predicting tensile properties of Ti-6Al-4V produced via directed energy deposition”為題發表在Acta Mater.上。
【圖文導讀】
圖1 Ti-6Al-4V鈦合金沿厚度方向橫截面組織的變化測試。
Ti-6Al-4V鈦合金沿厚度方向橫截面組織的變化，選取區域A和B進行測試；其中區域A對應的晶粒受到較大程度地延長并平行于Z方向，區域B由Y方向上的晶粒組成。
圖2 三種熱處理工藝后電子束增材制造Ti6-6Al-4V鈦合金的微觀組織
（a）AM-α+β應力釋放； ? ? ? ? ?（b）AM-α+β熱等靜壓； ? ? ? ? ? ??（c）AM-β退火。
圖3 織構對于力學性能的影響
（a）經β退火增材制造得到的鈦合金，在3個主方向和對應3個旋轉45°方向上強織構的屈服應力；
（b）α相和β相的織構；
（c）{001}方向上β相和伯格斯取向關系中產生α變量對應的滑移系。
圖4 掃描電鏡背散射電子下的微觀組織
（a，b）對應區域A； ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（c，d）對應區域B。
圖5 AM-α+β熱等靜壓試樣的TEM研究結果
（a）HAADF STEM圖像在板條狀α相周圍出現少量的位錯； ? ? ? ? ? ? ? ??（b）選區放大圖；
（c）圖（b）中的微區晶粒取向； ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??（d）由圖（c）得到的位錯密度分布圖。
圖6 AM-α+β應力釋放試樣的TEM研究結果
（a）HAADF STEM圖像在板條狀α相周圍出現大量的位錯；
（b）選區放大圖；
（c）圖（b）中的微區晶粒取向；
（d）由圖（c）得到的位錯密度分布圖。
圖7 三種熱處理工藝試樣背散射圖譜的灰度強度分布
實線代表AM-α+β去應力退火狀態；
虛線代表AM-α+β熱等靜壓處理狀態。
圖8 預測屈服強度值和實驗測定屈服強度值的對比
由圖可以看出，絕大部分實驗數據（84%）處于與預測屈服強度5%的誤差范圍內，這說明預測值的準確度較高。
圖9 不同條件下的累積概率分布函數
（a）AM-α+β去應力退火；
（b）AM-α+β熱等靜壓；
（c）AM-β退火；
（d）綜合數據和模型。
圖10 各參數對三種熱處理試樣的屈服強度的絕對貢獻
圖11?各參數對三種熱處理試樣的屈服強度的貢獻比例
由圖10和11可以看出，固溶強化對屈服強度的貢獻是最大的，然而泰勒強化作用是主要的微觀結構強化參數，其僅存在于AM-α+β去應力狀態下。
【小結】
本文報道了通過電子束增材制造得到Ti-6Al-4V鈦合金，著重討論了其單向拉伸的屈服強度。此項研究中演算并呈現出一個本構方程，可準確預測增材制造的鈦合金及經三種熱處理（AM-α+βSR、AM-α+βHIP和AM-β退火）后的屈服強度，其中屈服強度的預測誤差通常在其實驗測試值的5%以內。
【文獻信息】
文獻鏈接：Predicting tensile properties of Ti-6Al-4V produced via directed energy deposition（Acta Mater., 2017,DOI:10.1016/j.actamat.2017.05.025）
本文由材料人編輯部金屬材料學術組張怡供稿，材料牛編輯整理。
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