增材制造 BCC Ti-9V-3.5Al-5Sn-3Zr-2.5Mo-0.2O 合金扭带形成机制：案例研究

《Acta Materialia》：Insights into the Mechanism of Kink Band Formation: Case Study on an Additively Manufactured BCC Ti-9V-3.5Al-5Sn-3Zr-2.5Mo-0.2O Alloy

　　

摘要

滑移局部化导致许多高强度工程合金中形成平面滑移带，往往产生有害影响，如剪切带形成、延展性受限和过早失效。已有报道表明，在体心立方（BCC）合金中，这种过早失效可通过屈曲带的形成来缓解，屈曲带有助于增强延展性和韧性。此类体系的例子包括亚稳β钛合金、Nb基合金以及Nb-Hf基难熔高熵合金。尽管已有大量文献报道了此类屈曲带的观测结果，但对其形成机制的理解仍然不足，尤其是在早期阶段。本研究深入探讨了增材制造的亚稳β Ti-9V-3.5Al-5Sn-3Zr-2.5Mo-0.2O（质量分数）（ATI Titan 23^TM）合金在拉伸变形过程中屈曲带形成的机理细节。位错滑移介导的{112}和{110}平面滑移带形成。随后，滑移带之间或滑移带与晶界之间的相互作用导致渐进的晶格旋转，最终形成屈曲带。这些细节通过电子背散射衍射（EBSD）、电子沟道衬度成像（ECCI）和透射电子显微镜（TEM）的组合进行了关联表征。滑移局部化为平面滑移带以及随后非平行滑移带之间的相互作用形成屈曲带之间的相互作用导致局部硬化，使得打印态亚稳β ATI Titan 23^TM合金在屈服强度超过750 MPa的情况下，获得超过30%的优异拉伸断裂应变，而无需进行任何后处理，如热等静压。

引言

高强工程合金通常依赖能够固有地促进滑移局部化为平面滑移带的微观组织和成分。常见例子包括沉淀硬化合金，如IN 718 [1]和Al-Li合金 [2]，以及含有α₂（Ti₃Al）沉淀的α相Ti合金 [3]。在含有纳米尺度ω相沉淀的Ti合金β相中也可观察到类似效应 [4]。低层错能（SFE）、短程有序（SRO），甚至辐照也会促进面心立方（FCC）、体心立方（BCC）和六方密堆积（HCP）固溶强化合金中的平面滑移，这一方面在最近关于多主元合金的研究中得到了特别重视 [[5], [6], [7], [8], [9], [10], [11]]。当然，滑移特征影响加工硬化和颈缩的起始，以及相关性能如成形性 [12]、疲劳和断裂 [[13], [14], [15], [16]]等。因此，在不牺牲强度的情况下实现材料中塑性流动的分散化已成为近年来的一大目标 [17]。

历史上，加工硬化的提高来源于钢中的相变诱导塑性（TRIP） [18]和孪生诱导塑性（TWIP） [19]。基于TRIP和TWIP的β Ti合金已得到发展 [[20], [21], [22], [23], [24]]，但对其机制起作用的应力相对较低的问题仍然存在担忧 [25]。新兴的分散化方法包括纳米孪晶化以及在具有中等SFE的合金塑性早期阶段形成外在和内在缺陷 [9]。反直觉的是，由于已证明SRO会促进平面滑移，通过控制局部化学有序构型可增强交滑移和分散化 [11,26,27]。

除这些机制外，在塑性变形过程中形成具有明显晶格旋转相对于周围基体的局部取向偏差带的现象，在广泛的金属体系中得到了越来越多的报道。此类局部取向偏差或晶格旋转变形带已在亚稳β Ti合金 [[28], [29], [30], [31], [32], [33], [34], [35], [36], [37]]、Nb和Hf基BCC高熵合金 [[38], [39], [40], [41]]以及Mg、Cd等HCP金属 [[42], [43], [44], [45], [46], [47]]中被观察到。Sakai等人 [48]还报道了在严重塑性变形的Al和Cu合金中此类取向偏差带的形成。这些变形特征在最近文献中通常被称为屈曲带或变形屈曲带。此后，我们采用"屈曲带"这一术语来描述此类局部晶格旋转变形带，与此前已确立的术语保持一致。

尽管屈曲带的形成已被广泛报道，但其在BCC合金中形成的潜在机理尚未完全理解。大多数既往研究侧重于经受严重塑性变形、轧制或拉伸至断裂的材料，通常涉及超过～15%的应变。虽然这些研究为完全发展的屈曲带提供了有价值的见解，但它们固有地忽略了屈曲带形核和演化的早期阶段。因此，在较低应变下控制屈曲介导变形起始的晶体学条件和位错相互作用仍缺乏了解。这一局限性对于增材制造的β Ti合金尤为关键，在这些合金中，微观组织异质性和非平衡特征可能也在控制变形机制方面发挥决定性作用。

我们现在通过系统考察增材制造（AM）亚稳β ATI Titan 23^TM钛合金中控制屈曲带形成的晶体学条件和位错相互作用的作用来解决这一空白。通过研究部分应变和完全断裂的拉伸试样，本研究捕捉了屈曲带的早期阶段和后续发展。重点在于确定滑移活动、位错相互作用和导致屈曲带形成的渐进晶格旋转之间的关系。变形行为通过电子背散射衍射（EBSD）、电子沟道衬度成像（ECCI）和透射电子显微镜（TEM）的组合进行表征，从而能够关联分析拉伸变形过程中的滑移行为、位错结构和晶格重取向。

章节摘要

实验步骤

激光粉末床熔融（LPBF）打印块材（40 mm × 15 mm × 40 mm，图S1），采用新开发的亚稳β钛合金Ti-9V-3.5Al-5Sn-3Zr-2.5Mo-0.2O（质量分数）（ATI Titan 23^TM），密度超过99.8%（阿基米德法），由ATI提供 [49]。从XY和YZ平面加工2 mm厚度的切片以研究微观组织和织构演化。试样使用320-4000目SiC砂纸进行机械研磨，并用胶体SiO₂抛光以获得无应变

打印态样品的表征

打印态ATI Titan 23^TM合金沿XY和YZ平面的微观组织如图1(a-b)所示。背散射电子（BSE）显微照片显示，试样呈现略微拉长的单相β晶粒，沿构建方向排列。然而，柱状晶的长宽比（～2）远小于其他LPBF打印钛合金的报道值 [[51], [52], [53]]。微观组织还呈现出项链结构，具有直径约150 μm的大晶粒

讨论

本节讨论了增材制造ATI Titan 23^TM合金中变形行为的微观组织起源，包括屈曲带的形成。重点在于理解屈曲带形成背后的基于晶格旋转的机制及其在应变调节中的作用。最后，讨论了这些机制对宏观力学响应的意义，特别是在颈缩后变形期间。

总结

• i.
  增材制造亚稳β钛合金ATI Titan 23^TM的打印态主要通过平面滑移变形。变形以{112}?111?滑移为主，并伴有{110}?111?滑移的附加贡献。在打印态下，该合金表现出超过750 MPa的屈服强度和超过30%的显著拉伸延展性，这在打印态钛合金中并不常见。
• ii.
  尽管通过平面滑移变形，该合金仍表现出高整体延展性和

CRediT作者贡献声明

Tirthesh Ingale：撰写——初稿，方法论，调查，形式分析，数据整理，概念化。Nachiket Keskar：撰写——审阅与编辑，调查，形式分析。Abhishek Sharma：调查，形式分析，数据整理。Deepak V Pillai：调查，形式分析，数据整理。Matias Garcia-Avila：撰写——审阅与编辑，调查，形式分析，数据整理。Sudip Kumar Sarkar：撰写——审阅与编辑，调查，形式

Tirthesh Ingale|Nachiket Keskar|Abhishek Sharma|Deepak V Pillai|Matias Garcia-Avila|Sudip Kumar Sarkar|Sarang Saji|Advika Chesetti|Yashwanth Neelam|John Foltz|Yufeng Zheng|Narendra B. Dahotre|Dipankar Banerjee|Rajarshi Banerjee