背景简介

激光选区熔化（Laser Powder Bed Fusion, LPBF）成形的Ti6Al4V合金凭借其优异的比强度和复杂构件制造能力，被广泛应用于航空航天等领域。然而，该材料在室温下表现出明显的力学性能各向异性，尤其在拉伸和蠕变性能方面。这种各向异性不仅与晶粒形貌和织构相关，还涉及滑移系强度、速率敏感性等微观机制。目前，常规的后处理热处理虽能一定程度上降低静态力学性能的各向异性，但对室温蠕变等瞬态力学性能的调控研究尚不充分。为此，本文旨在采用接近亚β转变点温度的热处理工艺，通过调控滑移行为和α相变体界面分布，以实现Ti6Al4V在室温拉伸与蠕变性能上的各向异性削弱。

成果介绍

（1）该研究通过循环热处理使α′片层发生部分球化，得到由初生α相和次生α相构成的双峰组织(图1)。该组织在保持合金强度的同时，显著降低了屈服强度和延伸率的各向异性，具体拉伸性能结果见图2。对比热处理前后的力学性能结果可知，试样的单轴拉伸各向异性在断裂延伸率和强度上与热处理前相差无几，但在蠕变各向异性性能的改善尤为显著。在未经热处理时，LPBF Ti6Al4V表现出严重的蠕变各向异性，在室温条件持续加载95%屈服应力四小时后，累积蠕变应变差异高达约189%；经热处理后，该差异降至约9%，表明循环热处理对削弱蠕变各向异性极为有效。

图1 (a) 打印态样品的背散射电子图像；(b) 循环热处理工艺示意图；(c) 和 (d) 热处理后样品的光镜和背散射电子图像

图2 (a) 单轴拉伸应力应变曲线；(b) 应力松弛应力-时间曲线；(c) 蠕变和(d) 力学性能各向异性的对比统计结果。（图中Par代表试样加载方向平行于打印过程中材料堆叠方向，Perp代表试样加载方向垂直于打印过程中材料堆叠方向）

（2）通过滑移迹线分析和晶体塑性模拟发现，基面滑移不仅在拉伸过程中较早激活，在蠕变中也更为显著，为主导滑移系。其原因在于基面滑移具有更高的应变速率敏感性，使其在低应变速率条件（如蠕变）下更易发生，导致基面滑移贡献的应变显著累积，滑移迹线分析结果见图3。在拉伸条件下，基面滑移的临界强度高于柱面滑移；但在蠕变条件下，其强度显著降低，约为拉伸条件下的70%，而柱面滑移强度在蠕变工况中下降幅度有限。因而，基面滑移的高应变速率敏感性与柱面滑移的较强硬化特性，共同决定了两者在不同加载方式下的相对活动度。

图3 热处理后样品单轴拉伸和蠕变断裂后样品的滑移活动分析：(a) 热处理后样品单轴拉伸断后BSE图像；(b) 热处理后样品蠕变断后BSE图像；(c) 滑移迹线分析示意图；(d) 相对滑移活动统计结果；(e) 理论施密特因子（Schmid Factor, SF）与试验观察到的滑移活动之间的差异

（3）图4统计了蠕变过程中施密特因子与蠕变应变之间的关系。结果表明（图4a），蠕变应变与基面滑移的施密特因子呈正相关，而与柱面滑移的施密特因子呈负相关。图4b进一步比较了热处理前后两种微观组织体系在基面和柱面施密特因子的差异。结果表明整体织构强度在热处理前后均较弱，但微小的施密特因子差异在速率敏感性和硬化差异的放大作用下，仍会造成显著的宏观各向异性。该文提出的热处理工艺通过弱化此类差异，有效减轻了打印态下LPBF Ti-6Al-4V的蠕变各向异性。

图4 (a) 基面和柱面SF与蠕变应变的相关性分析结果；(b) 热处理前后SF差异

致谢

作者感谢马克斯·普朗克可持续材料研究所的Franz Roters教授和密歇根大学的Philip Eisenlohr教授对DAMASK的支持。作者感谢VIT-SEED赠款（SG20230051）的财政支持。作者感谢VIT Vellore CIMR前主任Raja Annamalai教授的行政支持。作者感谢Karthik Agnihotram先生和Nishka Bhojwani女士的宝贵支持。本文第一作者为Aarya Kedar Sathe（Sunchon National University），本文通讯作者为Shi-Hoon Choi（Sunchon National University）和K.U. Yazar（VIT Vellore）。

本期小编 董乃健（整理）

罗凌颖（校对）

刘昊东（审核）

董乃健（发布）