山东省科学院丨激光选区熔化TC11钛合金的断裂机理及异种载荷下裂纹扩展研究

摘要：目的 基于航天航空领域损伤容限型钛合金的设计理念，研究沉积态TC11钛合金拉伸速率相关的断裂机理及异种载荷形式下裂纹扩展路径。方法 采用电子背散射衍射（EBSD）表征由激光选区熔化（SLM）制备的沉积态TC11钛合金的组织形貌，利用扫描电子显微镜分析不同应变速率下TC11钛合金的断口形貌和缺陷分布，针对无法原位实时追踪裂纹扩展路径的问题，利用Abaqus相场UEL对裂纹扩展进行研究。结果 沉积态TC11钛合金中，∥BD截面上的晶粒主要为柱状晶，⊥BD截面上的晶粒全部为等轴晶，组织为密排六方结构（HCP）的针状α'马氏体；瞬时载荷下，载荷为1、1.5、2 MPa时，切向裂纹宽度分别为0、7.69、14 mm，角度分别为108°、92°、82°；周期载荷下，载荷为1、1.1、1.2、1.35、1.5 MPa时，裂纹宽度分别为15.56、11.87、26.23、20.51、20.92 mm。结论 随拉伸速率的增加，断裂机理由韧性断裂转化为脆性断裂；瞬时加载时，裂纹萌生并切向扩展，进而裂纹分叉直至完全断裂，且载荷的增加对沉积态TC11钛合金切向裂纹有促进作用，同时可抑制裂纹的分叉；周期加载时，载荷的增加对裂纹宽度先是起促进作用，裂纹达到最大值后稳定在20~25 mm。

     

图2  原始态样品切口位置及EBSD序号分布

图4  沉积态TC11钛合金组织形貌

图5  不同拉伸速率下SLM成形断口形貌

     

图6  Abaqus相场UEL框架图及实现方式

     

图7  数值模拟相关参数

图8  瞬时载荷下裂纹扩展路径云图

通过EBSD、SEM和Abaqus相场UEL研究了SLM制备的沉积态TC11钛合金的组织、断口形貌和裂纹扩展情况，揭示了沉积态TC11钛合金应变速率相关的断裂机理，预测了瞬时与周期加载下不同加载载荷的裂纹扩展演化，得到以下结论。

1）沉积态TC11钛合金∥BD截面方向上，微观组织多为长条状柱状晶，晶粒内部大部分为由HCP结构六方钛构成的针状α'相和极少量的β相。⊥BD截面方向上的微观组织为α'相马氏体，但晶粒形状为等轴晶。

2）随着拉伸速率的增加，沉积态TC11钛合金断面的韧窝数量减少，韧窝尺寸变小，边缘延展区（韧性区）的面积减小，断裂由韧性断裂逐渐向脆性断裂转化。

3）对沉积态TC11钛合金施加瞬时载荷时，裂纹出现分叉并以切向裂纹为轴呈轴对称分布，随施加载荷的增加，裂纹分叉的角度逐渐减小，随施加载荷的增加，切向裂纹长度逐渐增加，在载荷为1MPa和1.5 MPa时，材料未发生断裂，在载荷为2 MPa时材料发生断裂。沉积态TC11钛合金施加周期载荷时，裂纹无明显切向的裂纹扩展，在载荷为1~1.2 MPa时随加载载荷的增加裂纹宽度增加，1.2 MPa时裂纹宽度最大，在载荷为1.2~1.5 MPa时，随载荷的增加，裂纹宽度稳定在20~25 mm。