纳米力学表征3D打印钛及钛铝合金的应用

金属材料激光增材制造(俗称金属3D打印)技术，是一种采用高功率激光对金属粉末/丝材进行逐层熔化/ 凝固堆积,进而形成高致密性和高性能的整体金属构件的近净成形制造技术。其后续机械加工余量小、材料利用率高、周期短、成本低，同时大功率激光可制备难熔金属构件，且可以根据零件的工作条件和服役性能要求,改变局部激光熔化沉积材料的化学成分和显微组织,实现多相合金、梯度材料的近净成形。多相合金材料及梯度材料的综合力学性能往往取决于其单相或单组分的力学性能。然而，通常增材制造材料的组织结构复杂并且晶粒尺寸极小，传统办法很难精细表征每一相的力学性能。因此，准确表征增材制造材料微观尺度下相或组元的力学性能，对于理解并调控结构件整体的力学性能具有重要意义。


南极熊3D打印网获悉，近期，加拿大多伦多大学材料系邹宇教授课题组（https://mse.utoronto.ca/faculty-staff/professors/zou-yu/）与北京航空航天大学大型金属构件增材制造国家工程实验室合作采用高速纳米压痕技术（1个压痕/约1秒）对3D打印双相钛合金（TA15, Ti-6Al-2Zr-Mo-V）和γ-TiAl/Ti2AlNb梯度材料进行了高通量力学表征 （硬度H和弹性模量E）[1] [2]。图1是3D打印示意图和纳米压痕实验图。另外，两个课题组对于近期增材制造钛合金的文献也做了综述总结[3].相关工作如下: 




△图1. (a) 激光增材制造制备TA15钛合金示意图。(b) 纳米压痕仪Berkovich 压头SEM图片。(c) 钛合金α 和β相BSE图片(带压痕)

双相TA15 钛合金的纳米压痕实验表明：（1）高速高通量纳米压痕技术是一种有效的表征具有复杂微观结构的多相合金H和E分布的方法。其空间分辨率可以达到亚微米范围（〜300-500 nm）。（2）H和E分布图可以清楚的定量同一个样品hcpα相的力学各向异性。（3）热处理作为3D打印材料重要的后处理手段，此方法可准确表征热处理过程中元素的再分布对α和β相力学性能的影响。高温热处理随炉冷却后，Al从β相扩散到相邻的α相，而Mo和V沿相反方向扩散。导致α和β相同时硬化，H分别增加了32％和12％。  
 
图2. (a) TA15合金的BSE图片（亮的为β相，暗的为α相）。（b）和（d）分别为图（a）中矩形区域的H和E分布图。（C）为图（d）中矩形区域Al元素分布（通过EPMA测量）图。

对于TiAl/Ti2AlNb梯度材料，他们采用高速纳米压痕技术，通过统计的方式研究了TiAl/Ti2AlNb合金之间过渡区在亚微米长度尺度上微观结构/相与H和E之间的关系。研究结果如下：（1）Ti2AlNb/TiAl过渡区可分为三层。(2)H和E与过渡区的微观结构/相之间具有良好的相关性。从Ti2AlNb到Layer I，H和E逐渐增加；从Layer I到γ-TiAl，H和E逐渐降低。（3）过渡区内，维氏硬度趋势与实验及计算所得平均纳米硬度趋势一致，不同相对过渡区内H和E的贡献遵循混合法则。


△图3. (a) TiAl/Ti2AlNb梯度材料激光增材制造示意图。(b)低倍BSE图像，显示了Ti2AlNb基板和γ-TiAl之间的三个过渡层（Layer I，II和III）。(c) 过渡区内纳米硬度演变图

因此，高速高通量纳米压痕技术与先进的微观组织结构表征技术相结合，可以为研究多相多组元结构材料的跨尺度力学行为提供新的机会。同时，对研究微观尺度下材料的结构-性能关系提供契机，进而对3D打印材料的过程设计和微观结构设计提供指导。