宁大王永刚教授丨基于晶体塑性有限元的选区激光熔化Ti-6Al-4V的力学各向异性

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论文研究背景及意义

针对增材制造合金的各向异性的原因，有人认为是由于成型过程中外延生长形成的高纵横比的柱状晶，也有人认为是强织构晶体取向所引起。当前，众多学者主要采取试验或理论计算的方法表征各向异性对材料的性能如力学、疲劳、抗磨、抗腐蚀等）的影响，本文从晶体取向与多晶形貌角度探究激光选区熔融增材制造产生各向异性的根源。

Yang Liu, Feng Yu, Yonggang Wang. Mechanical Anisotropy of Selective Laser Melted Ti-6Al-4V Using a Reduced-order Crystal Plasticity Finite Element Model. Chinese Journal of Mechanical Engineering: Additive Manufacturing Frontiers, 2023, 2(1): 100062.

论文亮点

1. 根据增材制造钛合金的多层级组织，将EBSD获得的不同织构信息映射在晶体塑性有限元模型中；

2. 通过单晶模型，分别研究了HCP钛合金中3个基底滑移系、3个棱柱体滑移系和12个锥体滑移系对材料各向异性的影响程度。

Figure 1 Comparison of the compressive stress–strain curve of SLMed Ti-6Al-4V between the X- and Y-directions

Figure 2 Comparison of the contours of von Mises stress (Pa) for samples subjected to compression in the (a) scanning direction and (b) building direction of SLMed Ti-6Al-4V

试验方法

1. 采用单向扫描策略制造TC4试样，在不同方向进行准静态压缩实验和EBSD表征，获得材料的织构关键信息；

2. 根据马氏体的尺寸和形态，将其分为三级组织，采用Neper软件建立多层级二维晶粒RVE模型；

3. 根据EBSD的取向分布函数ODF，选取ODF最强的九种代表性织构简化模型，每个织构的晶粒数量按照ODF强度的占比进行定量随机分布的方式映射在RVE模型中；

4. 通过组合不同晶体取向和晶粒数目的RVE晶体塑性有限元模型，探究产生各向异性的根源。

研究结果

1. 各向异性的仿真结果为1.036，与试验结果（1.048）的误差在10%以内；

2. 欧拉角（φ1，φ，φ2）中，φ对材料的屈服强度、抗压强度以及各向异性的影响最大。屈服强度和抗压强度随φ增加而先增加后降低，各向异性强度则单调增大。

3. 九种织构中，取向为织构具有最低的各向异性（~1.01），具有最高的正各向异性（~1.1），具有最高的负各向异性（~0.92）。

4. 理论上，可以将正各向异性和负各向异性的织构相互搭配，实现材料的各向异性的调控。

微观结构形态对选区激光熔化Ti-6Al-4V力学各向异性的影响

研究结论

1. 微观组织的织构各向异性对材料的各向异性影响较大，层级组织对塑性硬化过程和变形抗力影响较大；

2. 弱各向异性的织构能够弱化乃至平衡强各向异性的织构，从而实现材料的力学性能的各向均匀性；

3. 通过调控工艺参数，获得较多的弱织构组织，有利于降低材料的各向异性。

前景与应用

通过晶体塑性有限元方法揭示了材料各向异性的根源，并提出了一种通过将正各向异性和负各向异性的织构相互搭配，实现材料各向异性的调控的理论方法。

近年团队发表文章

[1] Yang Liu*, Jinhui Meng, Lei Zhu, Hongyu Chen, Zhiguo Li, Shuxin Li, Di Wang*, Yonggang Wang*, Konrad Kosiba. Dynamic compressive properties and underlying failure mechanisms of selective laser melted Ti-6Al-4V alloy under high temperature and strain rate conditions[J]. Additive Manufacturing, 2022, 54: 102772.

[2] Hongyu Chen, Yang Liu*, Yonggang Wang, Zhiguo Li, Di Wang, Konrad Kosiba. Dynamic compressive properties and failure mechanism of selective laser melted CoCrFeNiMn high entropy alloy[J]. Materials & Design, 2022, 224: 111324.

[3] Yang Liu*, Huaizhong Xu, Lei Zhu, Xiaofeng Wang, Quanquan Han, Shuxin Li, Yonggang Wang*, Rossitza Setchi, Di Wang*. Investigation into the microstructure and dynamic compressive properties of selective laser melted Ti-6Al-4V alloy with solution and aging treatments[J]. Materials Science & Engineering A, 2021, 805: 140561.

[4] Yang Liu*, Zhicong Pang, Ming Li, Yonggang Wang, Di Wang, Changhui Song, Shuxin Li*. Investigation into the dynamic mechanical properties of selective laser melted Ti-6Al-4V alloy at high strain rate tensile loading[J]. Materials Science and Engineering A, 2019, 745: 440-449.

[5] Xiaofeng Wang, Yang Liu*, Tongya Shi, Yonggang Wang*. Strain rate dependence of mechanical property in a selective laser melted 17-4 PH stainless steel with different states[J]. Materials Science & Engineering A, 2020, 792: 139776.

[6] Yang Liu*, Huaizhong Xu, Binyi Peng, Xiaofeng Wang, Shuxin Li, Qun Wang, Zhiguo Li, Yonggang Wang*. Effect of heating treatment on the microstructural evolution and dynamic tensile properties of Ti-6Al-4V alloy produced by selective laser melting[J]. Journal of Manufacturing Processes, 2022, 74: 244-255.

[7] 朱磊, 刘洋*, 孟锦晖, 李治国, 胡建波, 李国平, 王永刚. 激光选区熔化Ti-6Al-4V合金的动态力学性能及其本构关系[J]. 爆炸与冲击, 2022, 42(9): 091405.

[8] 彭斌意, 刘洋*, 郑晓董, 李国平, 李治国, 王永刚. 激光选区熔化颗粒增强钛基复合材料的动态抗压性能[J]. 材料工程, 2022, 50(06): 36-48.

论文原文:

https://doi.org/10.1016/j.cjmeam.2023.100062

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来源：增材制造硕博联盟