电子束熔化技术成形Ti-6Al-4V合金试件界面区内原子堆积结构的计算研究

Electron beam melting(EBM)- additive manufactured Ti-6Al-4V has increaingly shown great potential for human hard tissue implant and repair materials in recent years. The microstructures and mechanical properties are greatly affeced by the atom packing in the interface regions, grain boundaries, and twin boundaries. Under temperature and external load, there exist differences of the structures and properties between the two sides of the interfaces. These differences result in the changes of the thermal stress, non coordinated deformation, and stress raisers, which contribute to the atom packing changes in the phase particles at the end of the interface, grains in slip zones, grain boundaries, twin boundaries, and the interface regions. The mechanism is investigated for the atom packing changes in the grains, grain boundaries, and interface regions under the deformation conditions. These are of great significance to structural design and experimenal built for the novel materials having high strength and good ductility. Molecular dynamics computations are performed to study the structural evolution in the different grains, grain boundaries, twin boundaries, and interface regions as well as the relationship between the properties of mechanics and thermodynamics and the structural evolution in detail. Design ideas are put forward for the Ti alloy biomaterials with strong coupling and consistent performance. The successful implementation of the project is helpful in microstructural design and process optimization of human implants.

通过电子束熔化增材制造技术成形的Ti-6Al-4V合金，是重要的人体承重部位植入物用材料。两相界面区、晶界以及孪晶内的原子堆积结构对于材料的力学性能具有重要作用。在温度和外加载荷作用下，界面区两端材料的结构与性质存在差异，这些差异导致的热应力不同以及变形不协调和局部应力集中使得界面两端相粒子和晶粒内驻留滑移带或晶界、孪晶界及相界面处的原子堆积结构出现差异。通过计算理解变形作用下晶粒内与晶界区及相界面区内原子堆积结构演化的微观机理，对于获得强度高、塑韧性好的该类新型材料的结构设计和实验制备具有重要意义。本项目拟采用分子动力学方法对Ti-6Al-4V合金内不同取向晶粒及晶界结构演化、孪晶界结构演化、相界面区结构和其力学、热力学性质的关系进行详细比较研究，提出形成强结合和性能一致钛合金生物材料的设计思路。项目的成功实施有助于指导植入体材料的组织设计和工艺优化。

钛合金界面区内的结构与性质对于成形钛合金件的使役性能具有重要影响。本项目在原子尺度上采用基于经典力学的分子动力学方法计算研究了钛及其合金粒子在熔化、凝结、并合/烧结过程中的原子堆积结构变化。分析了温度、压力、粒径、粒子表面结晶取向等因素影响烧结钛粒子及其界面区内原子堆积结构的变化等。硅和碳是钛基体复合材料内颗粒/纤维增强体重要组元，对具有不同结构形态碳和硅材料的电子结构进行了基于密度泛函紧束缚计算。主要研究内容包括钛原子间相互作用势的筛选；温度变化影响粒子内原子堆积结构变化；粒子在并合/烧结过程中结构的转变；小尺寸钛团簇的稳定结构与电子性质等。计算结果表明，原子间相互作用势的选择对于准确描述钛合金中的α-β相变极为重要。小粒径钛粒子更易于形成二十面体构型，高温下多结构共存，出现孪晶。随着粒径的增加，粒子内的大多数原子可以保持HCP的堆积结构，粒子表面原子在发生结构转变前会发生位置移动和结构重排。高温时，大尺寸粒子的熔化行为与块体钛相似。当选用合适的原子间相互作用势时，分子动力学的计算可以给出升/降温过程中的HCP-BCC堆积结构转变温度。与单粒子相比，并合/烧结改变了所形成粒子的结构转变温度。粒子的表面结晶取向、变形和表面原子扩散对于粒子的烧结具有重要影响。当粒子在室温接触时，两个粒子发生碰撞变形，形成脖颈。温度的升高加剧了粒子表面原子的扩散。相接触粒子发生的塑性变形提供了额外能量，使得HCP-BCC转变温度下降。在相对较低的烧结温度下，“双相”结构及相界面出现在烧结粒子内。通过烧结时应力和收缩因子的变化可以区分烧结的不同阶段及其持续时间。在计算得到离散的势能-温度增加斜率随粒径变化的数据后，采用BP神经网络的机器学习，预测得到钛和钛铝合金粒子符合杜隆-珀替定律经典理论的粒径为接近3纳米。计算结果有助于钛及其合金在成形过程中的工艺参数选择与控制。该计算研究深化了对钛及其合金材料的认知，对于金属生物医用钛合金材料组织设计、工艺优化及获得性能一致性具有重要理论意义。