由于優良的力學、物理與化學性能，TC4鈦合金在航空航天、武器裝備等領域應用廣泛。傳統上通常采用鍛造方法生產鈦合金，但由于生產成本及大型結構件的加工困難，近30年發展起來的激光快速成形方法迅速成為鈦合金等難加工金屬材料的常用制備方法。對傳統鍛造方法生產的TC4鈦合金，國內外學者對其力學行為進行了廣泛而深入的研究[1-3]，對激光快速成形TC4鈦合金，Thijs[4]，Vrancken[5]，Hollander[6]，Parthasarathy[7]等制備了激光快速成形Ti?6Al?4V合金，并分別研究了激光掃描參數及掃描方式對其微結構演化的影響、幾種熱處理方式對其微結構和力學性能的影響、沉積態及經退火處理后的材料的靜態力學和結構性能。Murr等[8-9]采用電子束熔化及激光選區熔化的分層制造技術制備了簡單幾何形狀的Ti?6Al?4V樣品，研究了其微結構和靜態力學性能，并與傳統鍛造及用鑄造方法制備的Ti?6Al?4V的微結構與靜態力學性能進行了對比。陳靜等[10]研究了激光快速成形Ti?6Al?4V合金的力學性能，相比于鍛造件，激光快速成形沉積態Ti?6Al?4V合金的拉伸性能具有高強低塑特點和更顯著的各向異性。

王濤等[11]對不同取向激光熔覆制備的TC4鈦合金試樣的準靜態力學性能進行了比較研究。結果表明，X向試樣的抗拉強度和屈服強度均高于Z向試樣。而Z向試樣的斷后伸長率和斷面收縮率明顯高于X向試樣。樊偉剛等[12]研究了激光快速成形Ti?6Al?4V合金沉積態和其退火態合金的顯微組織和拉伸性能,并與傳統TC4合金的進行了對比。結果表明，沉積態和退火態激光立體成形合金的拉伸性能均優于傳統退火態TC4合金的拉伸性能。朱遠志等[13]對比研究了激光快速成形技術,鍛造和鑄造方法制備的TC4鈦合金試樣的組織與拉伸力學性能，結果表明，3種方法制備的樣品抗拉強度和延伸率均有所區別，不同成型方式樣品力學性能的差異來自于其形成的不同微觀組織和晶粒大小。激光快速成形TC4鈦合金樣品會在其成型快速冷卻過程中形成網籃組織，且晶粒非常細小，約為2～3μm。鍛造樣品成型時形成等軸組織，晶粒尺寸約為10μm，且微觀組織比3D打印和鑄態合金更加均勻，因而具有更高的延伸率。

目前，針對激光快速成形鈦合金與傳統鍛造生產鈦合金對比研究主要從靜態力學行為差異進行比較，而動態力學行為方面對比研究還鮮有報道。本文利用MTS萬能材料試驗機和分離式Hopkin-sonBar技術，分別對激光快速成形與傳統鍛造TC4鈦合金進行了準靜態及動態壓縮試驗，研究2種制備方法生產TC4鈦合金的力學行為，為激光快速成形生產鈦合金提供相應的數據參考，為工程應用選材提供可靠的數據支持，具有重要的工程應用價值。

1、實驗材料及方法

1.1實驗材料及處理方法

實驗用激光快速成形TC4（LaserrapidformingTC4,以下簡稱LRFTC4）鈦合金由西北工業大學凝固國家重點實驗室生產，其工藝參數參閱文獻[14]。由激光快速近凈成形技術形成的TC4沉積態原始微觀組織如圖1（a）所示，由于快速熔融和快速冷卻緣故，其組織為細小針狀網籃組織，平均板條寬約為0.2μm。

鍛態TC4鈦合金是西北有色金屬研究院生產的直徑為φ35的棒材，其成分如表1所示。通過表2所示熱處理工藝，獲得該材料的等軸及網籃組織。等軸組織中等軸α相呈現鍛造變形拉長態，晶粒平均尺寸約為10～20μm，網籃組織的α板條平均寬約為0.35μm，2種組織的微觀形貌分別如圖1（b）、圖1（c）所示。

1。2力學測試 

采用楚雄師范學院材料制備及力學行為研究所100kN微機控制MTS萬能材料試驗機，對LRFTC4材料沉積態及鍛造TC4鈦合金1#(forgingTC4?1#)、鍛造TC4鈦合金2#（forgingTC4?2#）進行室溫準靜態壓縮試驗，試驗應變率為0.001s^?1；采用楚雄師范學院材料制備及力學行為研究所的Φ14.5mm高溫、高應變率耦合分離式Hopkinson壓桿系統，分別對上述3種材料Φ5×5mm圓柱試樣進行室溫高應變率動態壓縮試驗，試驗條件為：室溫，200mm撞擊桿，應變率分別為2200s^?1和3400s^?1。

2、實驗結果及分析

2.1力學響應

圖2為3種試樣在不同應變率下的應力?應變曲線，其中圖2（a）為3種試樣準靜態下的壓縮應力?應變曲線，圖2（b）～（d）圖為3種試樣分別在不同高應變率下的動態壓縮應力?應變曲線。從圖2（a）可看出，在準靜態壓縮變形下，3種試樣中，鍛造TC4?1#表現出最好的塑性及強度，且在準靜態變形中呈現出應變強化效應。鍛造TC4?2#及LRFTC4在準靜態條件下壓縮時，表現出相同的力學響應規律：強度、塑性相當，應變強化效應較弱。

圖2（b）～（d）為3種試驗材料在應變率分別為2200、2800、3400s^?1動態壓縮時的應力?應變曲線。3種試樣在高應變率變形中，其應力?應變曲線均呈現出振蕩的特點。由于材料在高應變率加載條件下的變形過程時間極短，由塑性功轉化來的熱量引起的熱軟化效應與應變增大時由位錯增殖引起的加工硬化效應及由應變率增大引起的應變率硬化效應共存，軟化效應和硬化效應相互競爭導致材料塑性變形階段呈現振蕩特征。試驗結果與材料在高應變率條件下的動態力學響應的經典公式吻合[15]。同時，2種生產工藝制備的3種試樣也呈現出不同的動態力學性能，鍛造TC4?1#等軸組織試樣具有最高的動態流變應力及應變，強度和塑性綜合性能最佳，鍛造TC4?2#網籃組織和LRFTC4沉積態網籃組織塑性相當，但前者的動態流變應力高于后者。

無論是準靜態還是動態條件下變形，鍛造TC4?1#均具有最高的強度及塑性，表明組織形貌對材料力學性能影響巨大。由于鍛造TC4?1#中等軸α相呈球狀，取向任意，變形協調性好，同時等軸α相具有較強的抗裂紋萌生的能力，有利于TC4鈦合金塑性和沖擊性能的提高，故鍛造TC4?1#等軸組織表現出優異的塑性，而持續的塑性變形將使位錯大量增殖，使材料強度持續不斷增大，直至斷裂。而鍛造TC4?2#及LRFTC4沉積態組織均為網籃組織，其組織相互交織且沿一定位向排列，變形過程中的變形協調性較差使其塑性也相對較差，易過早斷裂，因而其強度也較鍛造TC4?1#差。鍛造TC4?2#及LRFTC4沉積態在準靜態下強度、塑性相當，而動態條件下，鍛造TC4?2#強度較LRFTC4沉積態好，可能與鍛態組織較為密實，而激光快速成形由于快熔快冷使成形材料中存在孔洞及搭接缺陷有關[16]。圖3為鍛造TC4?2#及LRFTC4的SEM形貌，圖3（a）顯示了鍛造TC4?2#材料緊湊密實形貌，而LRFTC4則由于激光快速熔融及快速冷卻過程中的溫度不均勻性，造成了材料中搭接處出現了裂紋及孔洞，對材料的力學性能造成了不利影響,一定程度上導致激光快速成形LRFTC4沉積態網籃組織試樣的動態力學性能稍次于鍛造TC4?2#網籃組織試樣。

2.2應變率效應

圖4為3種材料分別在不同應變率下應力?應變曲線。從圖中可看出，當應變率從10?3（準靜態壓縮）變化到103（動態壓縮）數量級時，3種材料的流變應力顯著提高；當應變率為103（動態壓縮），應變率分別為2200、2800、3400s^?1時，3種試樣流變應力也呈逐漸增加的趨勢，當應變率為3400s^?1時，試樣的應力應變曲線整體高度均在2200s^?1和2800s^?1上方，即流變應力最大，呈現最大的強度，當應變率為2800s^?1時，試樣的應力應變曲線整體高度次于3400s^?1曲線，介于3400s^?1和2200s^?1之間，即其流變應力和強度次于3400s^?1并大于2200s^?1時對應的流變應力和強度，而應變率為2200s^?1時最弱。由此可見，激光快速成形與傳統鍛造TC4鈦合金試樣均表現出較強的應變率強化效應，均為應變率敏感材料，即應變率越大，流變應力越大的規律。

為了量化比較激光快速成形與傳統鍛造TC4鈦合金試樣的應變率效應，采用式（1）定義的應變率敏感因子m對3種試樣在高應變率加載條件下的應變率效應進行定量分析[17]：

式中σD和σS分別代表高應變率下的流變應力和準靜態下的流變應力。

根據式(1)，計算了3種材料在應變率2200s^?1且不同規定應變時的應變率敏感因子。3種材料應變率敏感因子m隨應變的變化曲線如圖5所示。

從圖5可看出，應變率2200s^?1條件下加載時，激光快速成形與傳統鍛造TC4鈦合金試樣應變率敏感因子m均隨應變的增大而下降，即應變率敏感性均隨應變的增大而下降，這是因為：如前所述，高應變率加載條件下，應變硬化效應和溫度熱軟化效應相互競爭，隨應變增大，材料中熱軟化效應增強，應變強化效應減弱，使得3種組織的動態流變應力均有不同程度的下降（σD↓）所致。

從圖5可同時可看出3種試樣應變率效應不同，應變率敏感性隨應變增大而下降的程度不一樣，鍛造TC4?2#網籃組織試樣應變率整體曲線最高，鍛造TC4?1#等軸組織試樣曲線居于鍛造TC4?2#和LRFTC4之間，激光快速成形TC4網籃組織試樣最低。即鍛造TC4?2#試樣顯示了最高的應變率敏感性，LRFTC4試樣應變率敏感性最弱，鍛造TC4?1#試樣敏感性居于二者之間。

3、結論

采用MTS試驗機及霍普金森壓桿，對鍛造和激光快速成形TC4鈦合金圓柱形試樣進行了準靜態及動態壓縮試驗，對比分析了2種不同生產方式制備的TC4鈦合金試樣的力學行為，結論如下：

（1）激光快速成形和傳統鍛造2種不同方法形成的顯微組織和晶粒尺寸有所區別，鍛造TC4?1#(forgingTC4?1#)為等軸組織，晶粒平均尺寸約為10～20μm，尺寸最大，鍛造TC4?2#(forgingTC4?2#)網籃組織，平均寬約為0。35μm，激光快速成形TC4（LRFTC4）為細小針狀網籃組織，平均板條寬約為0。2μm，尺寸最小，材料中搭接處有裂紋及孔洞。

（2）激光快速成形LRFTC4、鍛造TC4?1#、鍛造TC4?2#準靜態和動態力學性能有所差異，不同成型方法產生的試樣組織形貌和晶粒尺寸的差異一定程度上造成其力學性能的差異。

（3）在準靜態壓縮變形下，鍛造TC4?1#等軸組織試樣表現出最好的塑性及強度，且呈現出較強的應變強化效應。鍛造TC4?2#網籃組織及LRFTC4沉積態網籃組織試樣強度、塑性相當，應變強化效應較弱。

（4）在動態壓縮變形下，鍛造TC4?1#等軸組織試樣具有最高的流變應力及應變，鍛造TC4?2#網籃組織和LRFTC4激光快速沉積態網籃組織塑性相當，但前者的動態流變應力高于后者。LRFTC4快熔快冷溫度不均勻性對材料的力學性能造成了不利影響,一定程度上導致LRFTC4沉積態網籃組織試樣的動態力學性能不及鍛造TC4?2#網籃組織試樣。

（5）鍛造TC4?1#、鍛造TC4?2#和LRFTC4均為應變率敏感材料，但應變率效應不同；3種材料中，鍛造TC4?2#網籃組織試樣顯示了最高的應變率敏感性，LRFTC4網籃組織試樣應變率敏感性最弱，鍛造TC4?1#等軸組織試樣敏感性居于二者之間。

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