一种针对增材制造铌C-103合金剥落行为的综合微观结构、高应变率实验与计算分析方法

《Additive Manufacturing》：An Integrated Microstructural High Strain-Rate Experimental and Computational Analysis of the Spall Behavior of Additively Manufactured Niobium C-103 Alloys

针对电子束粉末床熔融制备的C-103合金，研究其高应变率动态断裂行为，通过平板冲击实验结合数值模拟，分析晶粒取向、位错密度及相互作用对断裂行为的影响，揭示垂直加载方向因晶界取向优化表现出更高抗冲击性。

　　在现代材料科学中，研究材料在极端条件下的行为对于开发高性能材料至关重要。特别是在高温和高速冲击环境下，材料的性能和结构稳定性直接影响其在工程应用中的可靠性。因此，理解这些材料在高应变率下的断裂机制和抗冲击能力具有重要的科学意义和工程价值。本研究聚焦于一种特殊的材料——C-103铌合金，其具有氧化抗性、高温性能和良好的延展性，使其成为高温应用的理想选择。此外，这些特性也使C-103成为增材制造（AM）技术的理想候选材料。然而，对于AM加工的C-103合金在高应变率和材料断裂行为中的基础理解仍然不足，尤其是在缺陷、如位错密度及其相互作用，以及晶粒取向对材料性能的影响方面。为了克服这些挑战，研究采用电子束粉末床熔融（EB-PBF）技术加工并制造了具有高度纹理柱状晶粒的C-103样品。通过从AM加工样品中提取的盘状冲击试验样品，研究探讨了在不同加载速率下（最高达600米/秒）的材料行为。这些试验结合了光子多普勒测速（PDV）系统，以获取样品自由表面速度的时变数据，并计算C-103的断裂强度。这些实验数据与基于位错的晶体塑性（DCP）方法和断裂模型的计算预测相结合，从而深入了解位错密度如何影响C-103的断裂强度和缺陷行为。

### C-103合金的特性与增材制造

C-103是一种含有铪（Hf）和钛（Ti）的铌合金，其独特的组成赋予了它在高温环境下出色的性能。与纯铌相比，这种合金在高温条件下展现出更高的强度和更少的延展性损失，同时具备良好的抗氧化性。这使得C-103成为用于高温应用的理想材料。然而，随着增材制造技术的发展，C-103的加工方式也逐渐多样化，使其在复杂结构制造中展现出巨大潜力。相较于激光粉末床熔融（L-PBF）技术，EB-PBF能够在受控真空环境中进行加工，从而减少杂质污染，并且通过高温粉末床降低残余应力和应变。然而，由于加工过程中粉末的蒸发作用，C-103合金中的钛元素可能会受到一定影响。

### 实验设计与实施

本研究通过EB-PBF技术制造了具有高度纹理的C-103样品，随后提取了平行和垂直于制造方向（BD）的盘状冲击试验样品。这些样品在高速冲击实验中被用于测试其在不同加载速率下的行为。实验中使用了PDV系统，该系统能够实时记录样品的自由表面速度变化，从而计算材料的断裂强度。PDV系统通过光纤维与探针连接，确保在实验过程中能够精确捕捉到材料表面的速度变化。此外，为了确保实验的准确性，研究还使用了金属盒填充棉布，以逐渐减缓冲击样品及其碎片的运动速度，从而减少实验过程中可能产生的干扰。

### 材料特性与实验结果

实验结果表明，C-103在不同加载方向下表现出显著的性能差异。当加载方向垂直于BD时，应力和位错活动在晶界上分布较为均匀，从而导致较高的拉回速度和断裂强度。相反，当加载方向平行于BD时，沿拉伸晶轴积累的剪切应变促进了早期裂纹的形成和合并，从而导致较低的断裂强度。这种差异进一步强调了晶粒长宽比在影响材料动态断裂性能中的重要作用。研究通过实验和计算模型的对比，验证了这些现象，并进一步揭示了位错密度的积累与传播对裂纹行为的影响。

### 计算模型与结果

为了深入理解C-103在高应变率下的行为，研究采用了一种基于位错的晶体塑性模型，并将其与断裂模型相结合。该模型能够捕捉位错密度的演化过程及其相互作用，从而预测材料在冲击下的断裂行为。计算模型的预测结果与实验数据高度一致，表明该模型在描述材料动态行为方面具有良好的适用性。通过计算模型，研究还发现，在加载方向平行于BD的情况下，位错密度的积累速度更快，这与较高的应变率和拉伸应力有关。这些位错密度的积累在裂纹前缘形成了一种“钝化”效应，减缓了裂纹的传播速度。此外，模型还揭示了在不同加载条件下，裂纹的形成和传播路径可能受到晶界取向和晶粒旋转的影响。

### 实验与计算的结合

通过实验和计算的结合，研究能够深入探讨C-103在高应变率条件下的断裂机制。实验数据表明，C-103在不同加载方向下的断裂强度和裂纹行为存在显著差异。计算模型不仅能够准确预测这些差异，还能够揭示其背后的原因，例如位错密度的积累、裂纹前缘的应力集中以及晶界对裂纹传播的阻碍作用。这种结合为材料设计和性能优化提供了新的视角，尤其是在如何通过调整晶粒结构和取向来提高材料的抗断裂能力方面。

### 未来展望

本研究为理解高应变率条件下C-103的断裂行为提供了新的见解。通过实验和计算模型的结合，研究不仅验证了现有理论模型的有效性，还揭示了位错密度和晶粒结构在材料断裂中的关键作用。这些发现对于优化增材制造工艺、提高材料在极端环境下的性能具有重要意义。未来的研究可以进一步探讨其他类型的位错相互作用和晶界特性对材料断裂的影响，同时也可以考虑不同合金成分对这些行为的影响。此外，研究还可以扩展到其他类型的BCC合金，以验证这些机制的普遍性。通过这些努力，材料科学可以更好地应对极端条件下的材料失效问题，从而为工程应用提供更可靠和高效的解决方案。