摘要：定向能量沉积（DED）技术制备的Ti-6Al-4V合金在室温下表现出优异的强度-重量比和耐腐蚀性，使其成为航空航天、医疗和汽车应用的理想材料。但因独特的篮状层状微结构和先验柱状晶粒特征，呈现复杂的跨尺度变形行为与显著各向异性。然而已有的工作多着重于较为单一的尺

定向能量沉积（DED）技术制备的Ti-6Al-4V合金在室温下表现出优异的强度-重量比和耐腐蚀性，使其成为航空航天、医疗和汽车应用的理想材料。但因独特的篮状层状微结构和先验柱状晶粒特征，呈现复杂的跨尺度变形行为与显著各向异性。然而已有的工作多着重于较为单一的尺度，对不同长度尺度的微观变形机制和力学各向异性行为缺乏全面的研究。

来自Clarkson University的K. Wijesinghe等通过原位单轴拉伸测试结合多尺度表征（SEM、EBSD、光学显微镜），首次在室温下观测到相边界滑动（PBS）在层状微结构中的普遍存在，系统分析DED Ti-6Al-4V合金在不同长度尺度下的变形行为，提出了DED Ti-6Al-4V合金的“分层各向异性响应” 理论，突破了传统单一尺度分析，系统阐明相界、剪切带与晶界如何跨尺度协同影响材料塑性变形行为。

研究表明DED Ti-6Al-4V合金具有分层变形机制：在纳米尺度，晶格滑移和 PBS受β相夹层调控，形成局部变形异质性；在亚微米尺度，剪切带通过选择长程相界路径实现高效应变局部化，提升早期延展性；在微米尺度，柱状晶界通过变形协调阻碍滑移传递，导致各向异性的材料流动与裂纹萌生。

图1. (a) 使用光学显微镜图像生成的3D全景图，描绘了DED Ti-6Al-4V的微观结构，(b) 显示层状亚晶粒特征形态的3D视图，(c) 显示α晶界、α相集落和两个宏观区的SEM图像。

图2. （a）α变体分布图为每个变体分配一个唯一的颜色，（b）3号晶粒的12个α变体的加权面积相对频率统计直方图，（c）至（o）3号晶粒内的12种不同α变体的分布。

图3. SEM图像描绘了HD试样表面的微观变形：（a）用于比较的未变形微观结构，（b）显示明显滑移带活动和一些PBS的区域，以及（c）显示通过菌落的平滑滑移转移和PBS范围的区域。

橙色箭头表示几个β夹层，白色箭头表示几个PBS，黑色箭头表示一些滑移带，蓝色和黄色虚线标记延伸到相邻板条的滑移带，（c）中的白色虚线突出α群落。BD和LD分别指示构建和加载方向。展示了纳米尺度下 α 片层内的滑移带（Slip Bands）和相界滑动（PBS），体现 β 夹层对滑移的选择性屏障效应。

图4. SSLB的特征：（a）显示SSLB形态的较低放大倍数SEM图像，（b）显示单个SSLB的较高放大倍数SEM图，（c）显示少数SSLB互连的较低分辨率SEM图像，（d）与（c）中显示的覆盖SSLB的同一区域的IPF图。

图5. 在不同宏观应变水平下晶界附近的材料流动：（a）在HD条件下应变为3.7%，（b）在HD状态下应变为4.3%，（c）在VD状态下应变为3.8%，（d）在VD条件下为应变5.4%应变。

图6. 示意图展示了在三个不同长度尺度下涉及塑性变形的分层变形

图7. （a）HD条件下和（b）VD条件下硬颗粒和软颗粒的示意图

相关研究成果以“Hierarchical anisotropic material response of directed energy deposited (DED) Ti-6Al-4V alloy”为题发表在上Acta Materialia上（Volume 276, September 2024, Article Number 120080），论文第一作者为K. Wijesinghe，通讯作者为A. Achuthan。

论文链接：

laizi :多尺度力学

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来源：江苏激光联盟