缺陷控制的SLM制备Ti-6Al-4V的拉伸性能 _化石

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成果亮点， SLM制备Ti-6Al-4V高质量的样品，其屈服强度和均匀的伸长率由显微组织和缺陷所确定；小比例的空穴(?1?vol%)会在拉伸条件下生长和孕育，从而影响到总的应变-失效；由于制造缺陷的存在，会导致微塑性的发生，扫描道边缘的气孔是缺陷的重要来源，从而影响到拉伸性能。

成果摘要
通过选择性激光熔化( SLM )或激光粉末床熔化( L-PBF )加工的金属和合金通常充满了缺陷和缺陷，如位错、孪晶、元素偏析、杂质和孔隙，这些缺陷和缺陷会对力学性能产生积极或消极影响。在这里，我们系统地表征了L - PBF Ti - 6Al - 4V在准静态应变率和室温下的拉伸行为，包括最新的原位同步辐射X射线衍射( SXRD )和计算机断层扫描( SXCT ) 。这些研究表明，拉伸屈服强度和均匀延伸率主要由原始组织决定，而应变-失效对孔隙率敏感，即使在非常高密度的样品中( N99.5 % ) 。原位SXRD显示原始Ti64中的微观塑性在远低于其宏观屈服强度的应力水平下开始，这是由{ 0002 和{ 1120 反射的早期晶格应变偏离行为所表征的。 SXCT揭示了当拉伸轴垂直于构建方向时的孔隙生长机制，而当拉伸轴沿构建方向时则没有观察到这种行为。这些各向异性的孔隙生长机制导致了L-PBF材料的应变-失效差异很大。我们用与实验相似的激光条件建立的熔池动力学模型确定了一个非常未知的孔隙源；Edge-Of-Track气孔。我们给出了一个归一化能量图来确定高质量样品的最佳处理窗口。

成果的Graphical abstract

1.背景介绍
【缺陷控制的SLM制备Ti-6Al-4V的拉伸性能】多物理场模拟揭示了L - PBF过程中一个先前未知的孔隙源：轨道边缘空隙。它们是粉末颗粒之间存在的陷落空隙造成的，似乎对拉伸延性有显著影响。

Ti-6Al-4V ( Ti64 )是应用最广泛的钛合金之一，它具有高强度、低密度、高耐蚀性和生物相容性等优点，在航空航天、海洋、国防、医疗、发电等领域有着广泛的应用。但Ti64由于熔体的高反应性和低的热收缩率，铸机困难。这种合金的添加剂制造( AM )引起了人们的强烈兴趣，因为它允许人们获得有助于消除上述限制的网状或近网状形状。具体来说，选择性激光熔化( SLM )或激光粉末床熔化( L-PBF )是制造高强度Ti64合金的热门选择之一。在实际应用中， L-PBF Ti64的一个主要缺点是拉伸塑性差，这与其在L - PBF过程中形成的脆性马氏体α′相有关，这对L - PBF钛合金来说是一个棘手的问题。此外，已有研究表明α′相会对耐蚀性产生不利影响。以前的大多数研究都集中在通过改变激光参数和/或死后热处理来开发将α′相分解为更具韧性的α + β相的策略，尽管β对强度和延展性的机制作用还没有得到彻底的研究。相比之下，很少有研究致力于了解其他因素对L - PBF Ti64拉伸性能的影响，这不仅受本征微观结构和缺陷的影响，而且对几乎所有AM材料的孔隙率敏感。

Haynes早期对粉末烧结金属的研究表明，孔隙( 形状、大小、分布和体积百分比 )对抗拉强度和拉伸塑性都有很大的影响。它也已被证明，毛孔可以显著影响疲劳寿命。对于相对较脆的材料，如铁，海恩斯认为，微量的孔隙特别有害于拉伸延展性。然而，另一些人认为，空洞可能具有强化效应，甚至由于位错-空洞相互作用而增强拉伸延性。由于Ti64是一种低延展性合金，对L - PBF材料可能会产生类似的不利影响。众所周知，激光参数(功率和速度)、层厚、扫描策略和支撑结构不仅影响所得相和晶粒尺寸/板条间距，还影响孔隙含量。历史上，阿基米德密度测量被用来评价AM样品孔隙度( 由于其简单性 ) ，但由于Ti64粉末中存在重元素污染物，往往会产生误导。当激光沉积的能量过高时，产生的熔池动力学导致被捕获的气孔或未熔合，当激光功率和速度过低或舱口间距过大时， AM材料中的气孔可能来源于弹头翻滚等多种来源。粉末中的孔隙是另一种来源。毛孔的确切来源仍然是科学界感兴趣的课题。迄今为止，对AM Ti64的有限研究似乎表明，当孔隙呈球形且含量低于1.0 % ( 基于阿基米德方法 )时，它们不会对材料性能产生实质性影响。然而，由于孔隙的普遍存在，即使在高密度样品中，其对拉伸性能的影响也值得深入研究。