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科研前瞻 | 《Scripta Mater》:热力循环对增材制造钛合金界面稳定性的影响!

2021-11-11 588 次 返回

增材制造(AM)适用于制造性能独特具有复杂几何形状的部件,并且很少产生材料浪费。由于零件逐层递增构建,零件内的每个层面都会经历液相线、固相线和预热温度之间的多次热回转。这些特征由于空间时间变化和加热冷却速率而变得复杂。原则上,这些为微观结构的控制提供了机会。随着几何形状的呈现,层的重熔和多次热回转导致零件出现一定空间时间特征。这些快速波动的瞬态变化容易受到动态机械约束,非线性相互作用可能导致复杂的热力条件,即压缩和拉伸之间的热应力和相关塑性应变的瞬态变化。一般来说,在制造过程中对这些瞬时变化进行原位检测几乎是不可能的。


 
美国田纳西大学的研究人员开发了一种新的方法以描述热力变化在固相转变中的作用,了解Ti6Al4V样品在已知边界条件下受热力的影响,探讨了相变路径的后续问题,即α→β相变是重建性还是位移性。相关论文以题为“Role of thermo-mechanical gyrations on the α/β interface stability in a Ti6Al4V AM alloy”发表在Scripta Materialia

论文链接:
https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114134

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研究发现Ti6Al4V合金在400℃和650℃之间经历热力变化后逐渐软化,塑性压缩应变极限为1%。α和β相之间的动态应变分配伴随着(a→β)相变。在力变化循环中观察到的β相变化相当出乎意料(约5%),因为热力学平衡预测在该温度范围内相变可忽略不计。在加工状态下,测得的β相中的V含量约为30%,而在α相中,测得的V含量约为2.27%。同样,测得的α相中铝含量约为8%,在β相中约为2%,对45和75次循环样品进行了相同的分析,测得β相中的V含量分别为18%和17%。在两个阶段中铝含量的变化可以忽略不计。与未进行循环样品相比,大量的V在力变化(45和75循环)过程中重新分配。表明循环样品的β相分数增加(未循环中2.5%→45循环中5.7%),并且在快速力变化过程中触发了动态相变。
 

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图1 400℃至650℃之间的热机械反转循环
 


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图2 热机械循环45次(左)和75次(右)样品中Ti、Al和V的三维重建图
 


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3 三维重建原子图显示α和β相之间的界面及元素含量变化
 


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图4 β相650℃的平衡相边界等值线向下移动示意图
 
由于塑性应变的积累,α相储存的能量增加,从而使β相分数的增加合理化。相界计算表明,α相中约400 J/mol的过剩能量会使其不稳定并触发向β相的动态转变。跨α/β界面的元素划分的定量分析支持重建转换模式。目前的结果表明,α/β界面稳定性和材料软化之间的密切耦合取决于热机械边界条件,表明在制造零件的计算建模过程中需要考虑相关的材料演变。本文为增材制造零件的设计和可行性分析提出了可靠的建议。

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