打击气压对激光快速成形TC4 合金剪切带形成及发展的影响

向文丽，舒鑫柱，彭跃红，孙 坤

(楚雄师范学院 材料制备及力学行为研究所，云南 楚雄 675000)

Ti-6A1-4V(TC4)合金是一种轻质的优良结构材料，具有比强度高、屈强比高、耐蚀性好的特性，广泛应用于航天航空领域[1-3].随着航天航空的日益壮大和发展，钛合金的使用要求越来越高，对于结构复杂的零件，采用传统锻造加工的方法一定程度上无法匹配致密部件的高性能要求，为了节约时间，提高使用效益，发展近净成形技术是近年来钛合金构件制造技术发展的总趋势.激光快速成形（Laser Rapid Forming，LRF）技术是20 世纪新兴发展起来的近净成形新技术，能快速制备复杂形状、高性能的致密零部件，在航天航空器件、飞机发动机零件、医疗器械及武器零件的制备上具有广阔的应用前景[4-5]，众多激光快速成形制备的材料中，激光快速成形TC4 钛合金（LRF TC4）关注研究较为广泛和深入[6-19].

目前，更多的研究关注于热处理对LRF TC4性能及微结构的影响[8-9]、LRF TC4 静态力学性能及微结构[10-11]、LRF TC4 疲劳性能[12]、材料的各向异性[13-14]等.TC4 合金在400～500 ℃温度范围仍有较高的强度，是制造航空发动机叶片、发动机喷嘴等重要部件的结构材料，由于这些服役环境极为苛刻，与高温、高应变率相关.Li 等[15]研究了较大应变率和温度范围内LRF TC4 材料的热力学响应，他们发现，动态压缩下，试样在所有实验温度均很容易产生绝热剪切带.Biswas 等[16-17]采用实验及数值模拟方法研究了单轴静态和动态压缩下激光成形TC4 合金的变形和断裂行为，其研究表明，绝热剪切带的形成可能是TC4 合金最主要的失效机制，且孔洞可能是绝热剪切带的形核位置.Yao等[18]发现，在应变率为1 500 s-1及3 000 s-1时，热处理后的LRF TC4 产生了显著的应变软化，而微结构观察表明绝热剪切局域化的产生是应变软化的主要原因，动态加载下材料内绝热剪切带由动态再结晶形成的等轴纳米晶构成.周平等[19]研究了较宽温度173～1 173 K 和应变率0.001～105 s-1范围下，激光立体成形TC4 钛合金在动态压缩和剪切加载时，该合金易出现绝热剪切变形，但试验温度的升高会抑制绝热剪切带的产生.

迄今为止，关于打击气压对绝热剪切带形成和发展方面的研究报道甚少.为了深入了解LRF TC4钛合金在高应变率下绝热剪切带形成和发展的规律，本文利用分离式霍普金森杆系统，采用不同打击气压对LRF TC4 钛合金试样进行室温动态压缩试验，探索不同打击气压对绝热剪切带形成和发展的影响，这对于加快LRF TC4 钛合金材料的工程应用，具有重要的学术研究意义和工程应用价值.

1 实验材料及方法

1.1 实验材料及处理方法本实验所用LRF TC4合金购于西安铂力特激光成形技术有限公司，由激光快速扫描TC4 粉末成形而成，成形TC4 成分列于表1.激光扫描方向与x轴成45°角，呈之字形进行(图1 红线箭头方向)，其中，z轴方向为沉积方向，成形材料尺寸为110 mm×110 mm×40 mm，如图1所示.图2 显示了成形材料的TEM 微观形貌及其衍射花样，为平行α 丛束形成的魏氏组织，α 板条的平均宽度约4 μm.

表1 TC4 粉末的化学成分(w/%)Tab.1 Chemical constitution of TC4 powder (w/%)

图1 LRF TC4 材料成形示意图及取样方向Fig.1 Schematic diagram of LRF TC4 formed and direction of the LRF TC4 sample

图2 LRF TC4 原始TEM 形貌及其衍射花样Fig.2 Original TEM microstructure of LRF TC4 and its diffraction pattern

1.2 实验方法经激光快速成形后的沉积态TC4合金，使用线切割的方法，截取材料，制备沿与激光扫描方向成45°角(图1)的试样，即帽型试样，形状及尺寸如图3 所示.

图3 动态剪切帽型试样尺寸及TEM 取样示意图Fig.3 Size of the hat-shape sample for dynamic shearing test and schematic diagram of the sheet for preparing TEM sample

使用φ14 高温分离式霍普金森杆对帽型试样进行不同打击气压下的动态压缩试验，打击气压分别为0.065、0.070、0.080 MPa 和0.100 MPa.使用线切割方法，将原始试样及压缩试样沿轴线切开，经过砂纸研磨、机械抛光至镜面、克氏试剂（5%HF，20%HNO3，75%H2O）腐蚀处理后，利用LEICA DMI5000 M 型金相显微镜（OM）、Quanta 200 扫描电子显微镜（SEM）及Tecnai G2 TF30 S-Twin 场发射透射电子显微镜（TEM）系统对试样进行微观形貌观察.

利用线切割切下变形回收试样剖面2 mm×2 mm×0.3 mm 的小片（切下的小片要求包含绝热剪切带，图3 中TEM 取样薄片），机械研磨至50 μm后经离子减薄至5～20 nm 制备TEM 薄膜，采用及Tecnai G2 TF30 S-Twin 场发射透射电子显微镜（TEM）系统观察绝热剪切带微结构特征.

2 实验结果及分析

2.1 剪切带的形成图4（a）～4（d）为激光快速成形TC4 钛合金帽型试样在打击气压分别为0.065、0.070、0.080 MPa 和0.100 MPa 下变形时试样肩部纵截面内剪切带的光学微观形貌.采用专用图形分析及处理软件Image-Pro Plus，测得0.065、0.070、0.080 MPa 和0.100 MPa 不同打击气压下对应的宽度剪切带的宽度分别为9.4、13.4、17.7、30.0 μm，即随着打击气压的增大，帽型试样内剪切带的宽度逐渐增大.

图4 不同打击气压下LRF TC4 帽型试样内剪切带光学微观形貌Fig.4 OM microstructure of the shear band in hat-shape sample of the LRF TC4 with different strike pressure

图3 中剪切区域剪切带的形成分2 个方面，长度方面，当帽型试样承受冲击时，剪切区域上下2个应力集中的角在冲击波作用下同时产生剪切带，并相向扩展，直到相遇形成一条完整的贯穿剪切带.

图5 显示了帽型试样剪切带从一个尖角处产生并向另一个角扩展的光学显微形貌，可看到在剪切带尖端处，针状组织发生了明显的扭折；宽度方面，不是一蹴而就，而是逐渐变宽的过程.

图5 LRF TC4 帽型试样内剪切带从一端向另一端扩展形貌Fig.5 OM microstructure of the shear band developing from one corner to another in hat-shape sample of the LRF TC4

图6 是冲击波在试样中传播的波形图（局部），试样承受冲击载荷过程中，冲击波在试样内来回振荡很多次（虽然每次都会有衰减），冲击波每振荡一次，剪切带变宽一些，直到振荡结束，最终形成图4所示的完整剪切带.

图6 瞬态波形存储器记录的原始波形Fig.6 Original waveshape recorded by transient wave memorizer

2.2 剪切带内的微结构由图4 的光学显微形貌可以看到，剪切带呈白色，带内组织细密，与带外未变形基体组织差异巨大，而且各种打击气压下试样内的剪切带除了带宽差别外，带内也有一些差异，主要体现在随着打击气压的增大，带内沿剪切方向的流线逐渐变弱，意味着不同打击气压下，剪切带内部的微结构的差异.

帽型试样在动态变形过程中，强迫剪切区承受压剪应力状态，以剪切为主，帽型试样的特殊结构使在高速变形过程中，其肩部更容易产生局域化的大塑性变形.

如图7 所示，图中位于剪切带上的A点和B点，在未变形时处于同一位置，经历局域化的大塑性变形后，已经分离，很明显剪切应变非常大.为了计算出剪切带内的剪切应变，我们使用Xue 等[20]给出的方法，如图8 所示，SS′为剪切方向，θ0为竖直方向与剪切方向的夹角，θ代表变形前水平针状组织方向与变形后所处方向间的夹角，表示变形前后组织所转过的角度.剪切角ψ 与测量角间的关系可表示为：

图7 LRF TC4 剪切带形貌Fig.7 Microsture of shear band of LRF TC4 alloy

图8 角度变化的几何关系及剪切应变计算Fig.8 Geometric relation for angle conversion and shear strain calculation

由于变形时间极短(μs 量级)，因此，高应变率变形过程近似于绝热过程，由塑性功转化的热无法在极短时间内传导出去，将使局域化变形区域（即剪切带）温度升高，从而使带内的微结构也发生相应变化.

剪切带内的绝热温升可用下式计算[21]：

式中：ΔT为绝热温升，η为功热转换系数，一般取0.9，ρ为材料密度，对本试验中LRF TC4，取4 500 kg/m3，C为材料比热容，523 J/(kg·K)，τ为剪切应力，σ为拉伸强度，本研究中为1 060 MPa，γ为剪切应变.根据以上方法和公式，不同打击气压下试样中所产生剪切带的剪切应变及绝热温升计算结果列于表2.

表2 各打击气压下试样内剪切带的剪切应变和温升Tab.2 Shear strains and temperature rises of shear band in the sample at the different strike pressure

图9 为LRF TC4 在不同打击气压下剪切带的TEM 形貌.从图9 中内嵌的衍射花样可看出，各打击气压下剪切带内均为细小多晶，与原始针状组织（图2）形成了鲜明对比.大量细小晶粒组成的多晶，形成了对光反射的各向同性，解释了为何在金相显微镜下剪切带呈现白亮形貌的原因.打击气压为0.065 MPa 时（图9（a）），剪切带内细小晶粒均为由位错滑移造成的大晶粒撕裂形成，小晶粒边缘粗糙，撕裂痕迹明显（图中白色箭头所指），未发现动态再结晶晶粒；打击气压为0.070 MPa 时（图9（b）），剪切带内除了由拉长晶粒撕裂形成的细小晶粒外（图中白色箭头所指），还出现了动态再结晶晶粒，动态再结晶晶粒边缘光滑（图中红色箭头所指）；打击气压为0.080 MPa 时（图9（c）），剪切带内晶粒更加碎化，且再结晶晶粒增多；当打击气压增大到0.100 MPa时（图9（d）），剪切带内几乎全部为动态再结晶晶粒.从图中还可看到，除0.100 MPa 试样剪切带看不出明显剪切方向外，其余3 个打击气压下试样剪切带均能看出明显的剪切方向，且随打击气压增大，多晶衍射环也从不连续变为连续，体现了方向性的减弱，这与光学显微镜的观察一致.

图9 不同打击气压下LRF TC4 帽型试样内剪切带TEM 微观形貌Fig.9 TEM microstructure of shear band in the hat-shaped samples of the LRF TC4 with different strike pressure

TC4 合金的动态再结晶温度大约在973 K，上述各气压下剪切带内绝热温升的计算结果表明，0.070～0.100 MPa 气压下，剪切带内将出现动态再结晶，这与图9 所示TEM 观察相一致.

3 结论

（1）打击气压对激光快速成形TC4 合金中所产生剪切带的形成及发展有较大的影响，随着打击气压的增大，剪切带宽度增大，且剪切带内的沿剪切方向的流线逐渐减弱；

（2）各种打击气压下，剪切带内均由细小晶粒组成，当打击气压为0.065 MPa 时，剪切带内无动态再结晶晶粒，而其它气压下，剪切带内均出现了动态再结晶晶粒，且随打击气压的增大，再结晶晶粒比例增多，到气压为0.100 MPa 时，剪切带内几乎由细小再结晶晶粒构成；

（3）随打击气压的增大，剪切带内的绝热温升增加.