應用于增材制造：通過原位中子衍射研究Ti-6Al-4V中的應力松弛行為和機制

1　研究背景
鈦合金由于其較高的比強度和較好的耐腐蝕性能而廣泛應用于航空航天和醫(yī)療行業(yè)。增材制造與傳統(tǒng)的減材制造相比，可以加工制造形狀結(jié)構(gòu)更為復雜的工件，同時也很大程度的減少了原材料的浪費，因此以鈦合金為原材料的增材制造技術(shù)在航空航天和醫(yī)療領(lǐng)域的應用越來越廣泛。在增材制造加工過程中，熔化的材料在凝固時發(fā)生收縮，并且會在隨后冷卻時進一步收縮。在逐層加工過程中，鄰近熔池和熔池下方的材料會經(jīng)歷復雜的熱循環(huán)，這會導致沉積層產(chǎn)生額外的膨脹和收縮循環(huán)。在連續(xù)的逐層沉積過程中，復雜的熱循環(huán)會導致殘余應力的累積，累積的殘余應力可能會導致部件變形，嚴重時甚至產(chǎn)生開裂，從而降低工件的尺寸精度和完整性。在沉積期間累積或釋放的殘余應力的量取決于沉積材料和基板的應力松弛行為，而且層間間隔時間和溫度對應力松弛行為有很大的影響。增材制造中的熱力學模型可以用來預測工件制造過程中殘余應力和變形，并且可以通過優(yōu)化工藝參數(shù)來最大限度的減小工件的殘余應力和變形。因此正確認識增材制造中的應力松弛行為可以改進熱-力模型，從而改善其在AM零件制造期間預測殘余應力的能力。

2　研究過程
作者在本文中以Ti-6Al-4V作為研究對象，分別對傳統(tǒng)加工(CP)和增材制造(AM)的兩種試樣進行實驗分析，并且試樣的形狀為圓柱形，直徑5mm，長度10mm。隨后將試樣分別加熱到600℃和700℃，接著進行準靜態(tài)單軸壓縮試驗，應變速率為7.8×10-4/s，壓縮后的工程應變?yōu)?.045。在實驗過程中應變量始終保持不變，在恒定溫度下應力隨著時間的增加而減小，即出現(xiàn)了應力松弛行為。在實驗過程中，作者采用中子衍射技術(shù)對試樣的應力松弛行為進行原位觀察來研究Ti-6Al-4V的應力松弛機制。

3　圖文導讀

圖一  原位中子衍射法測量軸向和橫向晶格應變的壓縮實驗示意圖

中子衍射技術(shù)除了可以測量晶格應變外，也可以用來估計α相的相對體積分數(shù)變化。

圖二  傳統(tǒng)加工和AM試樣在600℃和700℃溫度下的應力松弛曲線

圖中可以看出，在一定的溫度和給定的應變條件下，應力迅速的減小，在初始10分鐘內(nèi)，600℃時的應力釋放了60-65%，700℃的應力釋放了70-80%；隨后應力松弛行為以較慢的速度進行，最后降低至15MPa左右。

圖三 AM試樣的軸向方向加熱、加載和應力松弛行為對應的中子衍射圖譜  

圖中黑線向紅線的轉(zhuǎn)變對應為加熱過程，紅線向黃線的轉(zhuǎn)變對應加載過程，黃線向藍線的轉(zhuǎn)變對應應力松弛過程。圖中標注的峰均為α相，并且對101峰進行了放大對比。

圖四 在室溫環(huán)境下未發(fā)生壓縮的試樣的顯微組織圖像

圖(a)為傳統(tǒng)加工試樣的顯微組織圖，圖(b)為增材制造試樣的顯微組織圖，可以從圖(b)中很明顯的看到針狀馬氏體組織，亮色為α相區(qū)域，暗色為β相區(qū)域，原理是Kroll腐蝕劑優(yōu)先腐蝕β相。

表一 Ti-6Al-4V在傳統(tǒng)加工和增材制造情況下不同溫度下的體積分數(shù)

圖五

圖五(a)、(b)分別為600℃時傳統(tǒng)加工和增材制造的晶格應變隨時間變化的曲線圖，圖(c)、(d)分別為700℃時傳統(tǒng)加工和增材制造的晶格應變隨時間變化的曲線圖。從圖中可以看出晶格應變隨時間變化的趨勢與圖二中應力隨時間變化的趨勢是一致的，傳統(tǒng)加工和增材制造的α相晶格應變發(fā)生了明顯的減小，而β相的晶格應變隨時間變化沒有明顯的規(guī)律。與此同時，還可以發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，應變松弛速率增加。

4　總結(jié)
1、在600℃和700℃時，宏觀應力和晶格應變在90分鐘內(nèi)均快速減小到可以忽略的水平，并且隨著溫度的升高，應變松弛速率增加，峰值應力減小，最后傳統(tǒng)加工和增材制造試樣的應力均趨于穩(wěn)定的應力值，沒有明顯區(qū)別；

2、在相同的溫度與應變時，與傳統(tǒng)加工制備的試樣相比，AM試樣具有較低的應力峰值和應力松弛速率；

3、在600℃和700℃時，應力松弛不是由相變(α→β)引起的，也不是由載荷從α相到β相轉(zhuǎn)移實現(xiàn)的，作者推測應力松弛可能是通過位錯的滑移和攀移實現(xiàn)的。

本文由高溫合金精密成型研究中心2018級碩士-譚志俊編輯整理