向文麗，舒鑫柱，彭躍紅，孫 坤

(楚雄師范學(xué)院 材料制備及力學(xué)行為研究所，云南 楚雄 675000)

Ti-6A1-4V(TC4)合金是一種輕質(zhì)的優(yōu)良結(jié)構(gòu)材料，具有比強(qiáng)度高、屈強(qiáng)比高、耐蝕性好的特性，廣泛應(yīng)用于航天航空領(lǐng)域[1-3].隨著航天航空的日益壯大和發(fā)展，鈦合金的使用要求越來越高，對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，采用傳統(tǒng)鍛造加工的方法一定程度上無法匹配致密部件的高性能要求，為了節(jié)約時(shí)間，提高使用效益，發(fā)展近凈成形技術(shù)是近年來鈦合金構(gòu)件制造技術(shù)發(fā)展的總趨勢(shì).激光快速成形（Laser Rapid Forming，LRF）技術(shù)是20 世紀(jì)新興發(fā)展起來的近凈成形新技術(shù)，能快速制備復(fù)雜形狀、高性能的致密零部件，在航天航空器件、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)零件、醫(yī)療器械及武器零件的制備上具有廣闊的應(yīng)用前景[4-5]，眾多激光快速成形制備的材料中，激光快速成形TC4 鈦合金（LRF TC4）關(guān)注研究較為廣泛和深入[6-19].

目前，更多的研究關(guān)注于熱處理對(duì)LRF TC4性能及微結(jié)構(gòu)的影響[8-9]、LRF TC4 靜態(tài)力學(xué)性能及微結(jié)構(gòu)[10-11]、LRF TC4 疲勞性能[12]、材料的各向異性[13-14]等.TC4 合金在400～500 ℃溫度范圍仍有較高的強(qiáng)度，是制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴等重要部件的結(jié)構(gòu)材料，由于這些服役環(huán)境極為苛刻，與高溫、高應(yīng)變率相關(guān).Li 等[15]研究了較大應(yīng)變率和溫度范圍內(nèi)LRF TC4 材料的熱力學(xué)響應(yīng)，他們發(fā)現(xiàn)，動(dòng)態(tài)壓縮下，試樣在所有實(shí)驗(yàn)溫度均很容易產(chǎn)生絕熱剪切帶.Biswas 等[16-17]采用實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬方法研究了單軸靜態(tài)和動(dòng)態(tài)壓縮下激光成形TC4 合金的變形和斷裂行為，其研究表明，絕熱剪切帶的形成可能是TC4 合金最主要的失效機(jī)制，且孔洞可能是絕熱剪切帶的形核位置.Yao等[18]發(fā)現(xiàn)，在應(yīng)變率為1 500 s-1及3 000 s-1時(shí)，熱處理后的LRF TC4 產(chǎn)生了顯著的應(yīng)變軟化，而微結(jié)構(gòu)觀察表明絕熱剪切局域化的產(chǎn)生是應(yīng)變軟化的主要原因，動(dòng)態(tài)加載下材料內(nèi)絕熱剪切帶由動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形成的等軸納米晶構(gòu)成.周平等[19]研究了較寬溫度173～1 173 K 和應(yīng)變率0.001～105 s-1范圍下，激光立體成形TC4 鈦合金在動(dòng)態(tài)壓縮和剪切加載時(shí)，該合金易出現(xiàn)絕熱剪切變形，但試驗(yàn)溫度的升高會(huì)抑制絕熱剪切帶的產(chǎn)生.

迄今為止，關(guān)于打擊氣壓對(duì)絕熱剪切帶形成和發(fā)展方面的研究報(bào)道甚少.為了深入了解LRF TC4鈦合金在高應(yīng)變率下絕熱剪切帶形成和發(fā)展的規(guī)律，本文利用分離式霍普金森桿系統(tǒng)，采用不同打擊氣壓對(duì)LRF TC4 鈦合金試樣進(jìn)行室溫動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)，探索不同打擊氣壓對(duì)絕熱剪切帶形成和發(fā)展的影響，這對(duì)于加快LRF TC4 鈦合金材料的工程應(yīng)用，具有重要的學(xué)術(shù)研究意義和工程應(yīng)用價(jià)值.

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及處理方法本實(shí)驗(yàn)所用LRF TC4合金購于西安鉑力特激光成形技術(shù)有限公司，由激光快速掃描TC4 粉末成形而成，成形TC4 成分列于表1.激光掃描方向與x軸成45°角，呈之字形進(jìn)行(圖1 紅線箭頭方向)，其中，z軸方向?yàn)槌练e方向，成形材料尺寸為110 mm×110 mm×40 mm，如圖1所示.圖2 顯示了成形材料的TEM 微觀形貌及其衍射花樣，為平行α 叢束形成的魏氏組織，α 板條的平均寬度約4 μm.

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

圖1 LRF TC4 材料成形示意圖及取樣方向Fig.1 Schematic diagram of LRF TC4 formed and direction of the LRF TC4 sample

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

1.2 實(shí)驗(yàn)方法經(jīng)激光快速成形后的沉積態(tài)TC4合金，使用線切割的方法，截取材料，制備沿與激光掃描方向成45°角(圖1)的試樣，即帽型試樣，形狀及尺寸如圖3 所示.

圖3 動(dòng)態(tài)剪切帽型試樣尺寸及TEM 取樣示意圖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 高溫分離式霍普金森桿對(duì)帽型試樣進(jìn)行不同打擊氣壓下的動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)，打擊氣壓分別為0.065、0.070、0.080 MPa 和0.100 MPa.使用線切割方法，將原始試樣及壓縮試樣沿軸線切開，經(jīng)過砂紙研磨、機(jī)械拋光至鏡面、克氏試劑（5%HF，20%HNO3，75%H2O）腐蝕處理后，利用LEICA DMI5000 M 型金相顯微鏡（OM）、Quanta 200 掃描電子顯微鏡（SEM）及Tecnai G2 TF30 S-Twin 場(chǎng)發(fā)射透射電子顯微鏡（TEM）系統(tǒng)對(duì)試樣進(jìn)行微觀形貌觀察.

利用線切割切下變形回收試樣剖面2 mm×2 mm×0.3 mm 的小片（切下的小片要求包含絕熱剪切帶，圖3 中TEM 取樣薄片），機(jī)械研磨至50 μm后經(jīng)離子減薄至5～20 nm 制備TEM 薄膜，采用及Tecnai G2 TF30 S-Twin 場(chǎng)發(fā)射透射電子顯微鏡（TEM）系統(tǒng)觀察絕熱剪切帶微結(jié)構(gòu)特征.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 剪切帶的形成圖4（a）～4（d）為激光快速成形TC4 鈦合金帽型試樣在打擊氣壓分別為0.065、0.070、0.080 MPa 和0.100 MPa 下變形時(shí)試樣肩部縱截面內(nèi)剪切帶的光學(xué)微觀形貌.采用專用圖形分析及處理軟件Image-Pro Plus，測(cè)得0.065、0.070、0.080 MPa 和0.100 MPa 不同打擊氣壓下對(duì)應(yīng)的寬度剪切帶的寬度分別為9.4、13.4、17.7、30.0 μm，即隨著打擊氣壓的增大，帽型試樣內(nèi)剪切帶的寬度逐漸增大.

圖4 不同打擊氣壓下LRF TC4 帽型試樣內(nèi)剪切帶光學(xué)微觀形貌Fig.4 OM microstructure of the shear band in hat-shape sample of the LRF TC4 with different strike pressure

圖3 中剪切區(qū)域剪切帶的形成分2 個(gè)方面，長度方面，當(dāng)帽型試樣承受沖擊時(shí)，剪切區(qū)域上下2個(gè)應(yīng)力集中的角在沖擊波作用下同時(shí)產(chǎn)生剪切帶，并相向擴(kuò)展，直到相遇形成一條完整的貫穿剪切帶.

圖5 顯示了帽型試樣剪切帶從一個(gè)尖角處產(chǎn)生并向另一個(gè)角擴(kuò)展的光學(xué)顯微形貌，可看到在剪切帶尖端處，針狀組織發(fā)生了明顯的扭折；寬度方面，不是一蹴而就，而是逐漸變寬的過程.

圖5 LRF TC4 帽型試樣內(nèi)剪切帶從一端向另一端擴(kuò)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

圖6 是沖擊波在試樣中傳播的波形圖（局部），試樣承受沖擊載荷過程中，沖擊波在試樣內(nèi)來回振蕩很多次（雖然每次都會(huì)有衰減），沖擊波每振蕩一次，剪切帶變寬一些，直到振蕩結(jié)束，最終形成圖4所示的完整剪切帶.

圖6 瞬態(tài)波形存儲(chǔ)器記錄的原始波形Fig.6 Original waveshape recorded by transient wave memorizer

2.2 剪切帶內(nèi)的微結(jié)構(gòu)由圖4 的光學(xué)顯微形貌可以看到，剪切帶呈白色，帶內(nèi)組織細(xì)密，與帶外未變形基體組織差異巨大，而且各種打擊氣壓下試樣內(nèi)的剪切帶除了帶寬差別外，帶內(nèi)也有一些差異，主要體現(xiàn)在隨著打擊氣壓的增大，帶內(nèi)沿剪切方向的流線逐漸變?nèi)?，意味著不同打擊氣壓下，剪切帶?nèi)部的微結(jié)構(gòu)的差異.

帽型試樣在動(dòng)態(tài)變形過程中，強(qiáng)迫剪切區(qū)承受壓剪應(yīng)力狀態(tài)，以剪切為主，帽型試樣的特殊結(jié)構(gòu)使在高速變形過程中，其肩部更容易產(chǎn)生局域化的大塑性變形.

如圖7 所示，圖中位于剪切帶上的A點(diǎn)和B點(diǎn)，在未變形時(shí)處于同一位置，經(jīng)歷局域化的大塑性變形后，已經(jīng)分離，很明顯剪切應(yīng)變非常大.為了計(jì)算出剪切帶內(nèi)的剪切應(yīng)變，我們使用Xue 等[20]給出的方法，如圖8 所示，SS′為剪切方向，θ0為豎直方向與剪切方向的夾角，θ代表變形前水平針狀組織方向與變形后所處方向間的夾角，表示變形前后組織所轉(zhuǎn)過的角度.剪切角ψ 與測(cè)量角間的關(guān)系可表示為：

圖7 LRF TC4 剪切帶形貌Fig.7 Microsture of shear band of LRF TC4 alloy

圖8 角度變化的幾何關(guān)系及剪切應(yīng)變計(jì)算Fig.8 Geometric relation for angle conversion and shear strain calculation

由于變形時(shí)間極短(μs 量級(jí))，因此，高應(yīng)變率變形過程近似于絕熱過程，由塑性功轉(zhuǎn)化的熱無法在極短時(shí)間內(nèi)傳導(dǎo)出去，將使局域化變形區(qū)域（即剪切帶）溫度升高，從而使帶內(nèi)的微結(jié)構(gòu)也發(fā)生相應(yīng)變化.

剪切帶內(nèi)的絕熱溫升可用下式計(jì)算[21]：

式中：ΔT為絕熱溫升，η為功熱轉(zhuǎn)換系數(shù)，一般取0.9，ρ為材料密度，對(duì)本試驗(yàn)中LRF TC4，取4 500 kg/m3，C為材料比熱容，523 J/(kg·K)，τ為剪切應(yīng)力，σ為拉伸強(qiáng)度，本研究中為1 060 MPa，γ為剪切應(yīng)變.根據(jù)以上方法和公式，不同打擊氣壓下試樣中所產(chǎn)生剪切帶的剪切應(yīng)變及絕熱溫升計(jì)算結(jié)果列于表2.

表2 各打擊氣壓下試樣內(nèi)剪切帶的剪切應(yīng)變和溫升Tab.2 Shear strains and temperature rises of shear band in the sample at the different strike pressure

圖9 為LRF TC4 在不同打擊氣壓下剪切帶的TEM 形貌.從圖9 中內(nèi)嵌的衍射花樣可看出，各打擊氣壓下剪切帶內(nèi)均為細(xì)小多晶，與原始針狀組織（圖2）形成了鮮明對(duì)比.大量細(xì)小晶粒組成的多晶，形成了對(duì)光反射的各向同性，解釋了為何在金相顯微鏡下剪切帶呈現(xiàn)白亮形貌的原因.打擊氣壓為0.065 MPa 時(shí)（圖9（a）），剪切帶內(nèi)細(xì)小晶粒均為由位錯(cuò)滑移造成的大晶粒撕裂形成，小晶粒邊緣粗糙，撕裂痕跡明顯（圖中白色箭頭所指），未發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒；打擊氣壓為0.070 MPa 時(shí)（圖9（b）），剪切帶內(nèi)除了由拉長晶粒撕裂形成的細(xì)小晶粒外（圖中白色箭頭所指），還出現(xiàn)了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒邊緣光滑（圖中紅色箭頭所指）；打擊氣壓為0.080 MPa 時(shí)（圖9（c）），剪切帶內(nèi)晶粒更加碎化，且再結(jié)晶晶粒增多；當(dāng)打擊氣壓增大到0.100 MPa時(shí)（圖9（d）），剪切帶內(nèi)幾乎全部為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒.從圖中還可看到，除0.100 MPa 試樣剪切帶看不出明顯剪切方向外，其余3 個(gè)打擊氣壓下試樣剪切帶均能看出明顯的剪切方向，且隨打擊氣壓增大，多晶衍射環(huán)也從不連續(xù)變?yōu)檫B續(xù)，體現(xiàn)了方向性的減弱，這與光學(xué)顯微鏡的觀察一致.

圖9 不同打擊氣壓下LRF TC4 帽型試樣內(nèi)剪切帶TEM 微觀形貌Fig.9 TEM microstructure of shear band in the hat-shaped samples of the LRF TC4 with different strike pressure

TC4 合金的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶溫度大約在973 K，上述各氣壓下剪切帶內(nèi)絕熱溫升的計(jì)算結(jié)果表明，0.070～0.100 MPa 氣壓下，剪切帶內(nèi)將出現(xiàn)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，這與圖9 所示TEM 觀察相一致.

3 結(jié)論

（1）打擊氣壓對(duì)激光快速成形TC4 合金中所產(chǎn)生剪切帶的形成及發(fā)展有較大的影響，隨著打擊氣壓的增大，剪切帶寬度增大，且剪切帶內(nèi)的沿剪切方向的流線逐漸減弱；

（2）各種打擊氣壓下，剪切帶內(nèi)均由細(xì)小晶粒組成，當(dāng)打擊氣壓為0.065 MPa 時(shí)，剪切帶內(nèi)無動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒，而其它氣壓下，剪切帶內(nèi)均出現(xiàn)了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒，且隨打擊氣壓的增大，再結(jié)晶晶粒比例增多，到氣壓為0.100 MPa 時(shí)，剪切帶內(nèi)幾乎由細(xì)小再結(jié)晶晶粒構(gòu)成；

（3）隨打擊氣壓的增大，剪切帶內(nèi)的絕熱溫升增加.