激光快速成形钛合金材料的动态力学行为及其微结构演化机制研究

Using high temperature and high strain-rate coupling split Hopkinson bar, dynamic mechanical behavior，properties and microstructure evolution of titanium alloy fabricated by laser rapid forming will be studied,and differences of dynamic mechanical properties,dynamic mechanical behavior, microstructure evolution and adiabatic shearing sensibility between titanium alloy fabricated by laser rapid forming and titanium alloy fabricated by traditional forging method will be investigated by comparing in order to explore the probability that the titanium alloy fabricated by laser rapid forming is applied to the parts born impact load. The purpose of this study aims to uncover the law of dynamic mechanical behavior and microstructure evolution of titanium alloy fabricated by laser rapid forming. This work is helpful to build and enrich the scientific theory of dynamic mechanical response, to disclose the mechanism of microstructure evolution of titanium alloy fabricated by laser rapid forming, and to enrich and perfect the theory of adiabatic shear. So, this research have better scientific values. It is helpful to accumulate and enrich related data about dynamic mechanical behavior on titanium alloy fabricated by laser rapid forming under the condition of high strain rate loading，and is helpful to quicken application of titanium alloy fabricated by laser rapid forming to some weapon equipment. This work has very important guiding significance to the design of titanium alloy and choosing material for engineering application.

拟采用高温、高应变率耦合Hopkinson压杆，研究激光快速成形钛合金材料在动态变形过程中的力学行为、性能及其微结构演化机理,并对比研究激光快速成形钛合金材料与传统锻造方法生产钛合金材料的动态力学性能、力学行为、微结构演化及绝热剪切敏感性差异，探索把激光快速成形钛合金材料应用到承受冲出载荷作用下的零部件的可能性。本研究旨在揭示激光快速成形钛合金材料在高应变率下力学行为及其微观结构演化，有助于建立和丰富激光快速成形钛合金材料的动态力学行为响应的科学理论，有助于揭示激光快速成形钛合金材料中形成的柱状晶在动态变形过程中的演化机理，丰富和完善绝热剪切相关理论，具有较高的科学理论价值；并可积累和丰富激光快速成形钛合金材料在高应变率下动态力学行为的相关数据，加快该工艺生产钛合金材料在某些军事装备上的应用，对指导激光快速成形钛合金材料的设计、工程应用选材及热加工处理工艺制定都有十分重要的工程应用价值。

激光快速成形方法以其几乎近净成形、制备形状复杂零部件能力、快速制备方面的优势，成为制备形状复杂零部件及稀贵材料的替代方法。对结构件，力学性能是关键指标，目前，激光快速成形材料的力学性能指标，尤其是在高应变率加载条件下的动态力学性能指标，研究相对较少。本项目针对激光快速成形TC4（LRF TC4）合金，系统研究了热处理及材料不同取向对其力学行为、力学性能、绝热剪切敏感性的影响；LRF TC4动态变形过程中的微结构演化机制；并对比研究了LRF TC4与锻造态TC4合金的力学性能、绝热剪切敏感性、微结构演化方面的差异。结果表明：热处理及取向均对LRF TC4的力学行为、性能、绝热剪切敏感性产生了较大影响，退火使LRF TC4率敏感性增加、动态强度及塑性均提高，同时也增加其绝热剪切敏感性；成形材料中的取向也对材料的力学行为、性能、绝热剪切敏感性产生了较大影响，其中，与激光扫描方向成45度角方向材料具有最高的强度，但塑性较差，同时有最大的绝热剪切敏感性，与激光扫描方向平行及沉积方向，强度、塑性及绝热剪切敏感性均相当；对比研究显示，无论静态是动态加载条件下，锻造TC4等轴组织合金均具有最高的强度和塑性，而LRF TC4及与其具有相似组织形貌的锻造态网篮组织TC4合金相比较，锻造态网篮组织TC4合金由于有更为致密的基体组织，其强度也较高，二者塑性相当，同时，锻造TC4表现出较激光快速成形更低的绝热剪切敏感性；微结构演化研究显示，两种方法制备材料在动态变形过程中微结构演化过程相似，剪切带内细小晶粒均来自于大晶粒的撕裂和动态再结晶，可能的差异在于，两者剪切带内细小晶粒动态再结晶数量的多少可能不同。相关研究结果，可为激光快速成形生产钛合金提供相应的数据参考，为工程应用选材提供可靠的数据支持，加快LRF TC4的工程应用，具有重要的学术研究意义和工程应用价值。