【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。

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