3D打印Ti-6Al-4V合金微观组织演变及各向异性行为研究

3D printing is a promising technique for fabricating difficult-to-deformation metals like titanium alloys. However, the microstructures of Ti-6Al-4V alloy fabricated by 3D printing are heterogeneous spatially due to the nonuniform distributions of heat accumulation and differences in cooling speed. Many studies on the behaviours of 3D printed Ti-6Al-4V alloy are at the preliminary stages. A comprehensive understanding of processing-microstructure-properties-performance relationships for metals produced by 3D printing does not currently exist. In this project, selective laser melting technique will be used to fabricate bulk Ti-6Al-4V alloy. The electron backscatter diffraction technique will be applied to characterize the morphology and distribution of phases, the grain size, the grain orientation and texture, the types and distribution of grain boundaries and other microstructures of 3D printed Ti-6Al-4V alloy. The evolution of microstructure and the relationships between the microstructure and anisotropy of this alloy processed by 3D printing will be studied. The microstructure during the deformation will also be investigated to reveal the mechanism of deformation for 3D printed Ti-6Al-4V with nonuniform microstructure. The processing-microstructure-properties-performance under loading will be explored. The results will help engineering design and the control for the microstructure, which promotes the development and application of 3D printing technique.

3D打印一体化制造技术为诸如钛合金的难加工金属零部件提供了一条新技术途径，但3D打印的Ti-6Al-4V合金两端和中间热积累程度不同，空间位置上组织分布不均匀。很多机理研究仍处在初期起步阶段，对3D打印的金属材料的加工-微观结构-性能之间的关系目前缺乏综合的认识。本项目拟利用选区激光熔化技术（SLM）制备块状Ti-6Al-4V合金，借助电子背散射衍射技术从相形貌及分布、晶粒取向及织构等微观上分析组织，探索三维空间SLM制造技术制备Ti-6Al-4V合金的组织演变规律；建立微观组织与各向异性行为关系；探讨载荷作用下组织演变行为，阐明增材制造制备的Ti-6Al-4V合金特有组织变形机理；揭示3D打印Ti-6Al-4V合金加工-微观结构-性能-载荷作用下的变形行为的关系。为工艺设计、参数优化及组织控制奠定基础，为全面建立3D打印材料的加工-组织-性能关系提供理论依据，促进该技术更快走向工程应用。

3D打印一体化制造技术为诸如钛合金的难加工金属零部件提供了一条新技术途径，但3D打印的Ti-6Al-4V合金两端和中间热积累程度不同，空间位置上组织分布不均匀。很多机理研究仍处在初期起步阶段，对3D打印的金属材料的加工-微观结构-性能之间的关系目前缺乏综合的认识。本项目通过选区激光熔化技术（SLM）制备了块状TC4合金，借助电子背散射衍射技术对相互垂直的打印面上不同沉积高度和离边缘不同位置处的晶粒分布规律、晶内缺陷程度、晶体取向和Schmid因子分布规律等微观特征进行了系统研究，并对其力学行为进行了探索。研究表明：随着沉积高度增加，平均晶粒尺寸增加，粗大马氏体内部易形成多个相互平行的{10-11}<-1012>纳米孪晶束；纵截面上形成条带组织，带内马氏体晶粒相对更细长、平均晶粒尺寸更小、晶内畸变程度更高；由于热循环和残余应力的区别，晶格畸变程度存在不均匀性，边缘区易形成块状或等轴晶；沉积高度方向上，织构的遗传性较强，形成了<-12-10>//沉积方向的择优取向，底部及边缘区域的织构相对分散，边缘区域形成了较显著的<0001>//块状试样的一条棱边的织构。试块中间YZ面的织构强度普遍比XZ面更强，边缘区域则相反，织构强度存在各向异性；根据织构计算得到大部分晶粒对于{01-11}<-1-123>、{-12-11}<-1-123>和{01-11}<-2110>滑移系取向是软取向，对柱面、基面的<a>滑移系是硬取向；SLM-TC4合金不同截面的硬度主要受织构影响，XZ纵截面的硬度>XY横截面的硬度≈TOP截面的硬度；沿着垂直沉积方向加载时，中间高度强度最低，顶部强度稍高于底部；沉积态TC4合金的快速凝固过程中，β→α相变发生了变体选择，变体趋向总畸变程度最低的状态作自适应性调整，形成更多的具有[11-20]/60°和[-10553]/63.26°位向关系的变种，压缩变形后α相变体间出现大量以<11-20>为轴的新的位向关系：[11-20]/30°、[11-20]/43°和[11-20]/76°。本研究对SLM-TC4试块三维空间不同位置的微观组织和性能进行了系统研究，揭示了微观特征对局部性能的影响规律，为全面建立3D打印材料的加工-组织-性能关系提供支撑，促进该技术更快走向工程应用。