沈航楊光教授頂刊丨WAAM-LDM復合增材制造Ti-6Al-4V的組織演變及斷裂行為

來源：沈航增材
作者：周思雨,，張健飛

1,、研究意義與目的
電弧增材制造（WAAM）和激光沉積制造（LDM）作為兩種典型的增材制造（AM）技術,，具有各自的優(yōu)勢。WAAM工藝具有成形效率高、材料利用高等優(yōu)點,，而LDM工藝具有產(chǎn)品力學性能高、表面精度高等優(yōu)點,。因此,，為實現(xiàn)大型復雜鈦合金結(jié)構(gòu)件高效高精度生產(chǎn)的目的，本文將WAAM和LDM工藝的優(yōu)勢相結(jié)合,，提出了WAAM-LDM生產(chǎn)Ti-6Al-4V結(jié)構(gòu)件的方法,。將大型復雜結(jié)構(gòu)件分為兩部分，其中,，簡單結(jié)構(gòu)特征通過WAAM技術生產(chǎn),，復雜結(jié)構(gòu)或小型特征可以通過LDM技術實現(xiàn)。深入探究了兩種工藝結(jié)合面處顯微組織的演變以及對力學性能表現(xiàn)的影響,，為大型復雜鈦合金結(jié)構(gòu)件的復合增材制造提供了新的思路,。圖1為WAAM與LDM沉積方向平行（H-WAAM-LDM）和垂直（V-WAAM-LDM）兩種情況的示意圖、模型及實物圖,、拉伸試樣取樣位置及尺寸等,。

圖1.（a）H-WAAM-LDM；（b）V-WAAM-LDM,；（c）模型及實物圖,；（d）拉伸試樣取樣位置及尺寸

2.結(jié)果
2.1.WAAM-LDM樣品的宏觀結(jié)構(gòu)

WAAM-LDM制備的Ti-6Al-4V樣品由四個典型區(qū)組成：電弧區(qū)（WAAM Zone）,、熱影響區(qū)（Heat Affected Zone）,、重熔區(qū)（Remelting Zone）和激光區(qū)（LDM Zone）。β柱狀晶在WAAM和LDM區(qū)外延生長,，從圖2(a)來看,，H-WAAM-LDM樣品中WAAM區(qū)的柱狀晶尺寸(~2mm)大于LDM區(qū)的柱狀晶尺寸(0.86-1.45mm)。圖2(b)顯示了V-WAAM-LDM樣品中界面的宏觀結(jié)構(gòu),，與H-WAAM-LDM樣品相比,，V-WAAM-LDM樣品中WAAM區(qū)和LDM區(qū)的柱狀晶相互垂直。

圖2. Ti-6Al-4V樣品宏觀結(jié)構(gòu)（a）H-WAAM-LDM樣品,；（b）V-WAAM-LDM樣品

2.2.WAAM-LDM樣品的微觀結(jié)構(gòu)
圖3分別是WAAM-LDM樣品中四個典型區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu),。WAAM區(qū)微觀結(jié)構(gòu)主要以平行的α板條組成的粗集束組織為主。相比于WAAM區(qū),，HAZ中α集束的寬度略微減小,，并夾雜著大量的網(wǎng)籃結(jié)構(gòu)。值得注意的是,，RZ中充滿了細網(wǎng)籃結(jié)構(gòu)和針狀α相,。LDM區(qū)的顯微組織與RZ類似，但α板條的厚度略有增加,。關注公眾號: 增材制造碩博聯(lián)盟,，免費獲取海量增材資料,，聚焦增材制造科研與工程應用！

圖3. WAAM-LDM樣品的微觀結(jié)構(gòu),，（c）WAAM zone,；（d）HAZ；（e）RZ,；（f）LDM zone

EBSD結(jié)果展示了H-WAAM-LDM和V-WAAM-LDM樣品在結(jié)合區(qū)附近的微觀組織,，如圖4(a)(b)所示。界面處有明顯的分層現(xiàn)象,，在激光的作用下,，WAAM區(qū)中大面積的片層結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)長DM區(qū)中精細的網(wǎng)籃結(jié)構(gòu)，并且α板條的厚度逐漸減小,。不同區(qū)域晶粒的整體取向差異較大,，LDM區(qū)α板條的取向比WAAM區(qū)的更具有隨機性。

圖4. 結(jié)合區(qū)附近的EBSD圖（a）H-WAAM-LDM,；（b）V-WAAM-LDM

Ti-6Al-4V樣品WAAM區(qū),、RZ和LDM區(qū)α板條的TEM結(jié)果如圖5所示。α相為典型的板條態(tài),，而邊界相為β相,。WAAM區(qū)、RZ和LDM區(qū)的α板條厚度分別約為1.3μm,、0.8μm和1.0μm,。與WAAM區(qū)相比，RZ和LDM區(qū)有更多的位錯線(DLs)和位錯纏結(jié)(DTs),，并且圖5(b)中α和β相電子衍射斑點的Burgers取向關系為α(1-100)//β(1-11),。

圖5. TEM圖像及對應的電子衍射斑點 (a)WAAM區(qū)；(b)RZ,；(c)LDM區(qū)

圖6顯示了高分辨率TEM和相應的傅里葉變換,，進一步顯示了RZ中的位錯陣列和孿晶結(jié)構(gòu)。在圖6(b)中觀察到厚度為0.248nm的孿晶,，圖6(c)中的電子衍射斑點將孿生模式識別為(1-211)型孿生,。由圖6(d)-(f)可以看出，孿晶界兩側(cè)的位錯密度不同,，LDM區(qū)位錯密度明顯高于WAAM區(qū),，且LDM區(qū)晶面間距較小，約為0.2101nm,。

圖6. RZ的高分辨率TEM圖像 (a)孿晶顯微組織,；(b)孿晶的晶格圖像；(c)孿晶衍射斑；(d)圖(a)的晶面特性,；(e)-(f)分別為圖(d)中LDM區(qū)和WAAM區(qū)的晶面特性

2.3.WAAM-LDM樣品的力學性能
圖7為WAAM-LDM樣品和WAAM,、LDM、鑄造以及鍛造樣品在室溫下力學性能的統(tǒng)計圖,。樣品H-L和V-L的力學性能與WAAM樣品相似,，最大UTS為912±24MPa，最大YS為830±16MPa,，強度高于鑄造樣品,，略低于LDM樣品。H-T和V-T試樣的強度均高于鑄造樣品,，在WAAM和LDM樣品之間,，最高的UTS和YS分別為942±19MPa和866±20MPa。除此之外可以看出,，四種試樣的伸長率均超過10%,。

圖7. WAAM-LDM，WAAM,，LDM,，鑄造以及鍛造樣品的力學性能

3.討論
3.1. WAAM-LDM樣品宏觀組織形成機理
對于H-WAAM-LDM樣品，激光會將WAAM形成的柱狀晶重熔,，并沿原晶界外延生長,。相同方向沉積導致β柱狀晶粒的生長方向相同。對于V-WAAM-LDM樣品,，WAAM區(qū)的橫向柱狀晶界在激光作用下被再溶解,，成為LDM過程中晶界的形核點位。在溫度梯度的驅(qū)動下,，β相的晶核優(yōu)先沿<100>方向生長,。因此,，WAAM區(qū)和LDM區(qū)的柱狀晶相互垂直,。關注公眾號: 增材制造碩博聯(lián)盟，免費獲取海量增材資料,，聚焦增材制造科研與工程應用,！

圖8. β柱狀晶形成示意圖（a）H-WAAM-LDM；（b）V-WAAM-LDM樣品

3.2. WAAM-LDM樣品微觀組織形成機理
RZ相變過程如圖9所示,，當溫度超過Tβ時,，整個微觀組織從α+β相轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷卅孪唷�極高的冷卻速率導致在e點形成馬氏體α’,，如圖9（e）所示,。在LDM第2層的影響下，RZ的溫度沒有達到Tβ,，但是超過了馬氏體α’的分解溫度,，不穩(wěn)定的馬氏體α’發(fā)生原位分解,，轉(zhuǎn)變?yōu)棣?β相。因此,，在e點只觀察到少量的馬氏體α’,。在后續(xù)的熱循環(huán)的作用下，組織發(fā)生粗化,，因此在g點觀察到的α板條厚度比在e點觀察到的略寬,。

圖9. RZ中的熱循環(huán)以及微觀組織演變的示意圖

3.3. 力學性能分析
一方面，WAAM過程中相對較低的冷卻速率和隨后的熱循環(huán)導致更粗的α集束,，α集束的大小通過影響有效滑移長度來決定UTS,，一般來說，α集束大小與UTS成反比,。另一方面,，WAAM區(qū)粗糙的αGB也降低了樣品的力學性能。而在LDM區(qū),，具有良好抗蠕變和高溫性能的網(wǎng)籃組織填充了整個β晶粒,，它可以提高LDM區(qū)抗滑移變形的能力。然而,，針狀α相的位錯密度相對較高,，導致LDM樣品的延伸率較低。與H-L樣品相比,，H-T和V-T樣品的伸長率略有下降,。一方面，H-T和V-T為非均勻樣品,，應變的不均勻性導致伸長率下降,。另一方面，在激光作用下,，針狀α相的出現(xiàn)導致了樣品伸長率的降低,。

3.4. 斷裂行為分析

H-WAAM-LDM樣品中WAAM區(qū)較大的α集束導致滑移長度增加，從而導致YS減小,，裂紋擴展阻力與YS成正比,。此外，拉伸樣品邊緣的β晶粒不完整,，晶粒內(nèi)部暴露的α板條導致裂紋從WAAM區(qū)邊緣開始,，最終貫穿整個樣品。垂直于柱狀β晶界的載荷促進了αGB的過早破壞,，成為材料斷裂時的自然斷裂路徑,。因此，當拉伸載荷垂直于晶界時，αGB易發(fā)生晶間斷裂,，導致相鄰β柱狀晶粒分離,。圖10分別為試樣H-T的內(nèi)部柱狀晶粒生長圖、裂紋處顯微組織和裂紋擴展示意圖,。裂紋始終沿著網(wǎng)籃組織擴展,，如圖10(b)所示，由于網(wǎng)籃組織中的α相具有多種晶體取向,，當相鄰晶粒的晶體取向不同時,，裂紋尖端在晶界處發(fā)生偏轉(zhuǎn)，裂紋以“Z”形推進,。

圖10. (a)H-T樣品柱狀晶示意圖,；(b)裂紋處顯微組織；(c)裂紋擴展示意圖

4.主要結(jié)論

1）WAAM-LDM工藝制備的Ti-6Al-4V樣品的結(jié)合區(qū)結(jié)合良好,，無明顯缺陷,。

2）WAAM區(qū)和HAZ以粗α集束為主，LDM區(qū)和RZ以細網(wǎng)籃組織為主,，并夾雜著針狀α相,。

3）細針狀α相的存在導致結(jié)合區(qū)的強度高于WAAM區(qū)，并且所有樣品的力學性能均超過鑄件,。粗集束組織和αGB導致WAAM區(qū)成為斷裂起裂點,，裂紋始終沿網(wǎng)籃組織擴展。

4）α板條的細化和大量位錯導致RZ和LDM區(qū)的顯微硬度升高,，最高平均顯微硬度達到393.4HV0.2,。