西安交通大學(xué)崔路卿副教授團隊聯(lián)合國內(nèi)外其他四家機構(gòu)，采用高能XRD衍射，澄清了除晶體織構(gòu)外其他影響增材制造合金塑性各向異性的因素。相關(guān)工作以“New insights into the anisotropic ductility of additively manufactured Inconel 718”為題發(fā)表于《International Journal of Plasticity》上。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2023.103738

第一作者：崔路卿（西安交通大學(xué)）

通訊作者：姜爽（東北大學(xué)）、何衛(wèi)鋒（西安交通大學(xué)、空軍工程大學(xué)）

 研究內(nèi)容簡介

     增材制造技術(shù)由于設(shè)計自由度高，在航空航天和能源領(lǐng)域獲得大量關(guān)注，但層層疊加的制備方式常常導(dǎo)致所得構(gòu)件的各向異性機械性能，即當(dāng)荷載平行于增材方向時，強度較低但延展性較高。在大量前人工作中，強度各向異性已被系統(tǒng)研究，其微觀機制被廣泛接受與熱機械歷史誘發(fā)的位錯強化和晶界強化有關(guān)。然而，塑性各向異性由于影響因素的復(fù)雜性，迄今為止很少有工作涉及其微觀形成機理。僅有的工作也將其歸咎于晶體織構(gòu)的影響，但近期研究表明弱/無織構(gòu)增材制造合金仍具有顯著的塑性各向異性，這表明其他因素也可能發(fā)揮關(guān)鍵作用。

    金屬材料延展性受到塑性變形中微孔演變的影響，而微孔演變由其所處空間應(yīng)力狀態(tài)決定。例如，在三向拉應(yīng)力狀態(tài)下，微孔膨脹，這不利于延展性。相反，在三軸壓應(yīng)力下，它們會收縮或愈合，這對于延展性有利。受此啟發(fā)，西交大崔路卿副教授團隊聯(lián)合國內(nèi)外其余四家機構(gòu)，結(jié)合理論分析、高能XRD和多尺度表征手段，深度揭示了除晶體織構(gòu)外其他影響增材制造合金塑性各向異性的因素。

      本工作首先通過打印參數(shù)調(diào)控及后處理獲得了弱織構(gòu)增材制造IN718合金（圖1），但其仍表現(xiàn)出顯著的延展性各向異性（圖2），隨后對其微裂紋行為進(jìn)行表征發(fā)現(xiàn)，微裂紋萌生于晶界δ相與基體脫粘，并與γ′和γ′′共格析出相形成的微孔相連接（圖3），從而導(dǎo)致合金沿晶斷裂的發(fā)生（圖4和圖5）。其次，作者從晶粒所受三向應(yīng)力狀態(tài)、晶粒形狀、微孔應(yīng)力集中因子、晶界取向?qū)υ霾闹圃旌辖鹚苄愿飨虍愋赃M(jìn)行了分析。

圖1. 經(jīng)打印工藝調(diào)控及后處理的增材制造IN718典型微觀組織，晶粒和δ相均呈橢圓形，δ相沿晶界均勻分布，且合金整體織構(gòu)強度很低。

圖2. 弱織構(gòu)增材制造IN718合金仍表現(xiàn)出顯著延展性各向異性，說明除織構(gòu)外還有其它影響增材制造塑性的因素。

圖3. 微裂紋萌生于晶界δ相與基體脫粘，并與γ′和γ′′共格析出相形成的微孔相連接，從而導(dǎo)致合金發(fā)生沿晶斷裂。

圖4. 斷裂前后合金組織中GND位錯密度分布，可以看到不同取向晶粒協(xié)調(diào)變形導(dǎo)致應(yīng)力集中主要分布于晶界附近，最終導(dǎo)致合金發(fā)生沿晶斷裂。

圖5. IN718多相合金拉伸斷裂過程示意圖。

本工作首次揭示了垂直樣品中{220}晶系負(fù)三向應(yīng)力指數(shù)導(dǎo)致塑性變形后期微孔發(fā)生閉合（圖6），從而導(dǎo)致垂直樣品具有更高延伸率。此外，晶粒形狀（圖7）、微孔應(yīng)力集中因子（圖8）、晶界取向（圖9）同樣對于合金塑性各向異性具有重要影響。

圖6. 由圖（c）和圖（d）分析可知IN718臨界應(yīng)力指數(shù)（TF）在0.3和0.4之間，再結(jié)合圖（a）和圖（b）可知垂直樣品中當(dāng)應(yīng)變超過13%時，{220}晶系TF值低于0，此時微孔會發(fā)生閉合，因此本工作首次揭示{220}晶系負(fù)TF值是導(dǎo)致延展性各向異性的重要因素。

圖7. 本研究中IN718合金晶粒可簡化為橢圓，此時沿不同方向進(jìn)行加載，引起晶界δ相與基體脫粘所占圓弧長度是不同的。結(jié)合圖（e），并經(jīng)定量計算可知，水平和垂直加載所對應(yīng)圓弧分別為33.335（圖e中紅線，即SH-E）和20.463 μm（圖e中藍(lán)線，即SV-E），據(jù)此可知晶粒形狀對于延展性各向異性具有一定作用。

圖8. 微裂紋是由于δ相與基體脫粘，且δ相呈橢圓形，因此可分析不同方向進(jìn)行加載時δ相沿的應(yīng)力集中因子，可知水平和垂直時應(yīng)力集中因子各為18.55和1.47，因此水平加載微裂紋更容易產(chǎn)生，塑性更低。微孔應(yīng)力集中因子對于延展性各向異性具有一定作用。

圖9. 晶界取向?qū)τ谘诱剐愿飨虍愋跃哂幸欢ㄗ饔谩?/span>

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