在高应变率加载下，异质沉淀物对选择性激光熔化Ti2AlNb合金动态响应的影响

通过选择性激光熔融制备并热处理调控Ti2AlNb合金中异质沉淀相，利用分离式霍普金森压杆测试分析其动态应力应变行为，构建包含热应力、热激活应力和位错拖曳效应的本构模型，准确预测不同温度和应变率下的动态响应。

　　

郑永生|杨秀轩|孔伟宇|白倩

中国大连工业大学高性能精密制造国家重点实验室

摘要

Ti₂AlNb金属间化合物由于其异质沉淀物的存在而表现出优异的机械性能，在航空航天应用中具有巨大潜力。然而，这些沉淀物同时也给高速加工带来了挑战，尤其是在表面完整性方面。因此，理解Ti₂AlNb在高应变率下的动态响应对于加工机制分析和表面质量控制至关重要。样品通过选择性激光熔化（SLM）制备，沉淀物通过多步热处理控制。微观结构通过扫描电子显微镜（SEM）和电子背散射衍射（EBSD）进行研究，动态行为通过Split Hopkinson压力棒（SHPB）试验进行测试。结果表明，Ti₂AlNb的动态行为受到有序正交（O）沉淀物的形态和体积分数的显著影响。片状O沉淀物增加了位错密度，而针状O沉淀物则提高了强度并降低了应变硬化指数，使得针状O样品更容易产生薄层绝热剪切带（ASBs）。开发了一个基于物理的本构模型，该模型考虑了热应力、热激活应力和位错阻力的影响，能够准确预测不同温度和应变率下的动态应力-应变曲线（预测误差在6.5%以内）。这项工作为Ti₂AlNb的材料去除机制提供了基本见解。

引言

Ti₂AlNb合金因其高比强度、良好的抗氧化性和高温下的优异抗蠕变性能而成为航空航天领域的潜在材料[1]、[2]。选择性激光熔化（SLM）作为一种增材制造技术，可以通过逐层激光熔化初始粉末来生产复杂的Ti₂AlNb部件[3]。然而，SLM过程中的快速局部冷却主要导致B2基体相的形成，这可能对Ti₂AlNb的高温强度产生不利影响[4]。为了解决这个问题，采用了多步热处理方法来获得异质沉淀物。通过控制这些沉淀物的体积分数和尺寸，实现了相应的延展性和强度机械特性[5]。

在加工过程中，材料的微观结构对其去除过程中的动态力学响应起着关键作用，从而影响加工零件的表面完整性[6]。此外，切削过程由于切削工具与工件之间的摩擦以及材料在主要剪切区的严重塑性变形而产生显著的温度升高[7]。因此，研究Ti₂AlNb在高温和高应变率下的动态响应对于优化加工参数至关重要，以确保最终零件的加工表面质量。

通常，Ti₂AlNb是由三种相组成的多相合金：B2相、α₂相和O沉淀物[8]。O沉淀物具有正交结构，被认为是主要的强化相[9]。这些O沉淀物包括大的片状和小的针状O沉淀物，在高温下表现出良好的延展性和强度[10]。邵等人[11]研究了室温下应变率为0.00025 s^-1的锻造Ti-22Al-25Nb合金的变形机制，发现由于片状O沉淀物阻碍了B2基体的滑移而发生了加工硬化。刘等人[12]采用定向加热处理制备了具有不同尺寸O沉淀物的Ti₂AlNb合金，发现大尺寸O沉淀物和小尺寸O沉淀物表现出不同的应变调节模式。在我们之前的研究中，观察到通过SLM和热处理制备的Ti₂AlNb的微观结构存在显著差异，导致其高温拉伸性能存在明显差异[5]。值得注意的是，O沉淀物的形态是影响静态力学性能的主要因素。然而，沉淀物对Ti₂AlNb动态行为的具体贡献尚未得到充分探索。

研究材料的动态响应对于全面理解加工过程中的材料去除机制至关重要。这是因为高速加工的有限元模拟结果的准确性取决于通过本构建模对动态响应的精确描述[13]。目前，动态本构方程可以分为两大类[14]。第一类是经验本构方程，例如Johnson-Cook（J-C）本构方程[7]。J-C方程是一种简化的材料本构方程，主要考虑了应变率硬化、应变硬化和热软化对动态加载条件下材料流动应力的影响[15]。然而，J-C方程是经验性的，没有考虑应变率、应变和温度之间的相互作用。因此，它难以描述具有复杂微观结构的材料的动态力学行为，包括Ti₂AlNb。第二类动态本构方程是基于物理的方程[16]。这些方程提供了分析动态加载下材料变形特性的物理视角[17]。Zerilli和Armstrong（Z-A）[18]提出了基于位错力学的铜和铁的本构方程，考虑了晶粒尺寸效应。Wedberg和Lindgren[19]对不锈钢进行了Split Hopkinson压力棒（SHPB）试验，试验温度范围从293 K到1,223 K，应变率高达9,000 s^-1，他们开发了一组描述位错密度和晶胞尺寸演变的方程。He等人[20]开发了一个本构模型，考虑了位错密度和微观结构演变的变化，以预测Ni-Mo-Cr合金的压缩响应。与经验方程不同，这些物理方程提供了对材料动态行为的更全面理解[21]。在研究Ti₂AlNb的动态力学响应时，Bobbili等人[22]基于SHPB结果成功建立了Ti₂AlNb锻件的Z-A本构方程，能够预测材料在高达2,000 s^-1的应变率和600 °C的温度下的动态响应。然而，通过SLM制备的Ti₂AlNb中的相与锻造过程中的相不同[23]。这些相的不同组成、体积分数和相互作用显著影响了材料的塑性变形特性[24]。

本研究旨在研究通过SLM制备并经过后续热处理的Ti₂AlNb的动态行为。分析了Ti₂AlNb在4,500 s^{-1-1₂AlNb加工表面的质量。}

部分摘录

调整Ti₂AlNb中沉淀物的材料制备

Ti₂AlNb样品是在BLT-S310机器上使用SLM制备的。SLM过程的示意图如图1(a)所示。化学成分见表1。该过程采用了层间角度为67°的条带扫描策略。优化参数包括层厚30 μm、扫描速度1,000 mm/s、激光功率180 W和间隙距离100 μm[5]。SLM过程中的快速冷却导致微观结构主要由

通过SHPB试验获得的应力-应变曲线

根据图5(a)显示，在9,000 s^-1

具有异质沉淀物的Ti2AlNb的基于物理的本构模型

基于物理的本构模型通过内部状态变量（如晶粒尺寸、沉淀物的尺寸和体积分数、位错密度及其演变）来定义材料的力学行为[31]。根据热激活理论，材料的流动应力可以表示为[32]σ_ath表示热独立的长期阻力；σ_th表示热依赖的短期阻力

结论

本文使用SLM结合多步热处理制备了具有异质沉淀物的Ti₂AlNb样品。在不同应变率和温度下对样品进行了SHPB试验，以分析Ti₂AlNb的动态行为。开发了一组基于物理的本构方程，考虑了异质沉淀物的贡献。可以得出以下结论：

• (1)
  在4,500 s^-1-1

CRediT作者贡献声明

杨秀轩：验证、方法论、研究、形式分析、概念化。郑永生：撰写——原始草稿、方法论。白倩：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、概念化。孔伟宇：验证、方法论、研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号52175381）的支持。作者感谢大连工业大学仪器分析中心的帮助。