华南理工大学《Acta Materialia》：增材制造双相钛合金的高温断裂行为
2024-08-12 16:03:15
作者：材料科学与工程 来源：材料科学与工程
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华南理工大学机械与汽车工程学院王智教授课题组联合新加坡南洋理工大学Upadrasta Ramamurty教授团队在金属材料顶级期刊Acta Materialia在线发表论文“High-Temperature Fracture Behavior of an α/β Titanium Alloy manufactured using Laser Powder Bed Fusion”。华南理工大学博士研究生谢美燊为第一作者，南洋理工大学Huang Sheng博士和华南理工大学王智教授为共同通讯作者，南洋理工大学Upadrasta Ramamurty教授为合作作者。该项成果揭示了均匀β相韧带分布对双相片层组织钛合金的高温断裂行为和疲劳行为的影响机理。
激光粉末床熔融技术( L-PBF )增材制造钛合金在航空航天有着广泛的应用前景，本工作采用L-PBF制备出Ti-6Al-3Mo-1Zr双相钛合金，研究室温和高温下的拉伸力学性能、断裂韧性和抗疲劳性能。首先揭示了打印态（近全马氏体）和退火态组织（α+β片层）的形成及其与拉伸性能、断裂韧性和疲劳裂纹扩展行为的关系。发现打印态合金形成粗大柱状初生β晶粒，在β晶粒内部形成精细亚稳态马氏体组织，在马氏体组织中存在高密度位错、层错和孪晶等。退火后在板条间析出β相韧带，转为α+β片层组织，尺寸依然保留打印态快冷的细小特征，如图3所示。随着力学性能测试温度的增加，打印态合金强度下降而断裂韧性先增加后降低。退火导致合金在室温和高温下强度降低，但延伸率、断裂韧性均有所提高，如图4和表1所示。其次阐明了α+β片层组织中β相韧带在合金强韧化中的关键作用。β相韧带缓解了沿初始β晶界的局部应变程度，从而抑制孔洞在初始β晶界处萌生和长大，如图5至图7所示。尽管抗疲劳裂纹扩展阻力在Paris区随温度升高而下降，但在近门槛区随温度升高而提高，主要是蠕变诱导的裂纹尖端钝化所致，如图8至图10和表2所示。此外，在300 °C退火的样品中观察到双Paris指数现象（图8d），转折点归因于氢辅助裂纹扩展，β相提供了氢加速扩散途径。本工作揭示了β相含量对L-PBF制备Ti-6Al-3Mo-1Zr双相钛合金的室温/高温断裂行为和疲劳行为的作用机理，为增材制造钛合金的断裂失效行为研究提供了参考。https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120211
图3.合金的显微组织（高倍BSE-SEM）：（a, b）打印态（α'马氏体板条，β相含量可忽略不计）；（c, d）热处理态（α+β片层结构，β相含量显著）。
图4.打印态和热处理态合金的力学行为分析：（a）拉伸曲线；（b）屈服强度、抗拉强度和断裂韧性随温度的变化；（c）均匀伸长和断裂应变随温度的变化。热处理态合金在高温下由于存在β韧带具有更优异的塑性和断裂韧性。
图5.打印态和热处理态合金拉伸变形后靠近断口的抛光侧截面：（a-d）打印态；（e-h）热处理态。打印态合金在高温下沿初始β晶界发生明显的孔洞形核和长大。
表2.打印态和热处理态合金的疲劳裂纹扩展性能总结。
图9.打印态和热处理态合金在近门槛区的疲劳裂纹扩展路径：（a-d）打印态；（e-h）热处理态。
图10.受永久变形区尺寸影响的疲劳裂纹钝化示意图（有蠕变和无蠕变情况下）。
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