钛合金由于其低密度、、耐侵蚀、、高强度、、高硬度等特点，已在航空航天、、特殊体育器械和石油化工等领域得到宽泛利用[1-2]。。。激光增材制作技术能够通过逐层沉积的方式，实现复杂结构零部件的急剧成形，其工艺过程单一，出产制作周期短，目前已在钛合金零部件的制作上得到利用，并成为增材制作领域的钻研热点之一[3-6]。。。

委顿一向是资料面对的重要服役问题之一。。。与传统工艺制作资料一样，增材制作资料同样面对侵蚀委顿断裂的问题[7-8]。。。目前已有学者对增材制作 TC4 钛合金的委顿机能进行了钻研，发现影响其委顿机能的成分众多。。。Eric 等[9]以为激光增材制作形成的理论应力集中会显著降低资料的委顿机能，他们提出可通过理论机械研磨来提高委顿强度，但资料的内部缺点（未齐全溶解的粉末、、气孔缺点等）依然会导致资料的委顿机能不不变。。。此外，增材制作形成的各向异性也会导致 TC4 钛合金横向和纵向委顿机能存在显著的不均匀性，并且横向试样的委顿极限通常比纵向的低，这种差距与资料内部的微观结构及残存应力散布不均匀有关[10]。。：笕却χ霉ひ找不岫栽霾闹谱 TC4 的委顿裂纹扩大行为产生影响，Leuders 等[11]钻研发现，后热处置引起的微观组织扭转会影响委顿裂纹扩大的第一阶段，第二和第三阶段则重要受外部应力的影响 。。。 C h e r n 等 [ 1 2 ] 总 结 了 工 艺 参 数 及 后 处 理 对电子束增材制作 TC4 钛合金委顿机能影响的钻研近况。。。Sterling 等[13]对制备态和热处置态的直接能量沉积 TC4 合金的低周委顿行为进行了钻研，发现不足塑性是样品低周委顿寿命较低的重要原因。。。Benedetti等[14]钻研了选区激光溶解 TC4 合金的低周委顿行为，也发现了类似的结论。。。从以上钻研能够看出，目前针对增材制作钛合金委顿机能的钻研重要集中在制作缺点及微观组织对委顿机能的影响方面，很少关注分歧外载荷下资料的委顿裂纹扩大行为。。。

为此，本文针对激光直接沉积制作的 TC4 钛合金，选取紧凑拉伸（CT）试样，进行了分歧应力比下的委顿裂纹扩大尝试，选取 Paris 公式对裂纹扩大速度进行了拟合，并在扫描电镜下对断口描摹进行了分析，钻研了分歧应力比下激光直接沉积制作的 TC4钛合金的委顿裂纹扩大行为。。。

1、、 尝试

选取工业级 TC4 钛合金粉末为原资料，粉末由气雾化法制备，其重要化学成分如表 1 所示。。。粉末的描摹和尺寸如图 1 所示。。。从图 1a 能够看出，粉末呈球形，且未产生显著的团圆。。。选取激光粒度仪测得的粉末粒径散布情况如图 1b 所示，粉末粒径重要为20~60μm，均匀粒径为36.5μm。。。

激光直接沉积设备型号为 RC-LDM8060，试样的成形示意图如图 2a 所示。。。设备选取同轴送粉步骤，即激光和粉末同时从喷嘴发出，在基板上溶解并凝固沉积成所需试样，珍视气体为 99.999%的高纯氩气，在成形过程中维持氧的质量分数低于 50×10^?6。。。激光的扫描战术如图 2b 所示，即在当前层扫描实现后，旋转 90°进行下一层扫描。。。具体的沉积参数如下：激光功率为900W，光斑直径为2mm，扫描速度为300 m/min，送粉速度为 5 g/min，扫描间距为1mm，层厚为0.5mm。。。选取上述沉积工艺，制备出尺寸为80 mm×80 mm×20 mm 的块体试样，并对试样进行去应力退火处置。。。

在 Tescan Clara 扫描电镜下通过电子背散射衍射仪（EBSD）、、背散射电子成像仪（BSE）和能量色散谱仪（EDS）对退火后试样的微观组织进行分析。。。通过电火花加工步骤对试样进行切割，而后顺次使用400#~5000#砂纸进行打磨，最后再顺次通过金刚石悬浊液和氧化硅悬浊液进行抛光，洗濯并烘干后进行微观组织分析。。。

依照图 3 所示的试样尺寸，选取电火花加工步骤将去应力退火处置后的资料加工成紧凑型拉伸（CT）试样。。。其中，维持机加工缺口的开口方向与沉积方向一样。。。试样宽度 b 为 50 mm，厚度 δ 为 5 mm，初始裂纹长度 l₀ 为 10 mm。。。为削减理论粗糙度对尝试了局带来的滋扰，逐一选取 400#~2000#砂纸对试样理论进行打磨。。。

委顿裂纹扩大尝试参照 GB/T 6398—2017《金属资料委顿尝试委顿裂纹扩大步骤》进行：首先预制2 mm 长的委顿裂纹，而后进行最大载荷 P_max 恒定为2 500 N 的委顿裂纹扩大尝试。。。其中，载荷频率 f 为10 Hz，应力比 R 别离为 0.1、、0.3 和 0.5，载荷幅（?P=P_max×R）由应力比决定。。。通过柔度法丈量裂纹长度，纪录裂纹长度 l 和循环次数 N，通过割线法推算裂纹扩大速度 dl/dN[15]，如式（1）所示。。。

对于 CT 试样，裂纹尖端应力强度因子幅（?K）选取式（2）进行推算[15]。。。

式中：α=l/b，为试样状态因子。。。最后选取 Paris公式对 dl/dN-?K 曲线进行拟合，Paris 公式如式（3）所示[16]。。。

式中：C 和 m 均为与资料性质有关的拟合参数。。。

待委顿裂纹扩大尝试实现后，在 Tescan Clara 扫描电镜下通过二次电子成像对断口理论描摹进行表征。。。二次电子成像的加快电压为 15 kV，加快电流为 300 pA。。。

2、、 了局与分析

2.1 微观组织

x-y 平面上资料的微观组织如图 4 所示。。。EBSD分析了局批注，在激光直接沉积 TC4 钛合金内，晶粒呈柱状晶成长，各晶粒呈随机取向散布，均匀晶粒尺寸为 3.2 μm，如图 4a 所示。。。从图 4b 所示的相散布图能够看出，资料重要由 α-Ti 组成，能够检测到少量的 β-Ti。。。由于 β-Ti 尺寸较小，EBSD 技术难以分辨，因而选取 BSE 和 EDS 对微观组织进行了进一步表征。。。

微观组织的高倍 BSE 描摹如图 5a 所示。。。？Ｄ芄豢闯，除板条的 α-Ti 以外，还有少量白色的针状组织。。。通过 EDS 线扫描对这些组织的元素含量及散布进行了半定量表征，了局如图 5b 所示。。。？Ｄ芄豢闯，在这些白色的针状组织中出现了 V 元素的富集。。。V 元素是β-Ti 的形成元素，能够揣摩这些白色相为 β-Ti[17-19]。。。

2.2 委顿裂纹扩大速度

将采集的裂纹长度和循环次数绘制成 l-N 曲线，如图 6a 所示。。。随着载荷循环次数的增长，裂纹长度l 呈指数增长，且增长速度不休增大。。。凭据式（1）推算得到 dl/dN 数值，并与由式（2）推算得到的?K 值绘制成 dl/dN-?K 曲线，如图 6b 所示。。。在双对数坐标下，分歧应力比的 dl/dN 与?K 均呈线性关系，即裂纹扩大速度 dl/dN 随应力强度因子幅?K 的增大而增大。。。此外，从图 6b 还能够看出，在一样?K 值下，委顿裂纹扩大速度随应力比的增大而增大。。。

选取 Paris 公式对裂纹扩大速度进行拟合，了局如表 3 所示。。。3 种应力比下拟合优度均大于 0.97，拟合水平较好。。。在 Paris 公式中，参数 C 能够被以为是y 轴的截距，它依赖于资料的性质；参数 m 代表斜率，它体现了裂纹扩大速度对外加的应力强度因子幅值ΔK 的敏感度，m 值越大，则资料对 ΔK 的敏感度越高。。。

从表 3 能够看出，随着应力比由 0.1 增大到 0.5，参数 C从 1.42×10^?11 降低到 1.21×10^?11，参数 m 从 3.11 增大到3.55，注明随着应力比的增大，资料更容易产生委顿裂纹扩大。。。这种应力比导致的变动法规，与传统加工得到的危险容限型 TC4 钛合金变动法规一样[20-21]。。。

为获得分歧应力比下 Paris 参数 m 和 C 的关系，以 m 为纵坐标、、lg C 为横坐标绘制成图 7。。。？Ｄ芄豢闯，2 个参数出现出较好的线性关系。。。通过线性公式m=algC+b₀ 进行拟合，得到 a=?60.02、、b0=?5.82，拟合系数 R²=0.88。。。从图 7 还能够看出，应力比增大仅仅使数据点沿拟合直线移动，但并未偏离直线，因而应力比的扭转并不会影响参数 m 和 lg C 的线性关系。。。

这种线性关系在选取传统工艺加工的钛合金及其他金属资猜中也普遍存在，与资料的制作工艺没有显著的依赖性[22]。。。

2.3 断口理论描摹

在扫描电镜下通过二次电子成形对断口理论描摹进行表征，了局如图 8 所示。。。？Ｄ芄豢闯，在 3 种应力比下，委顿裂纹均出现穿晶扩大模式。。。在裂纹扩大过程中出现了显著的沿特定晶面的解理，因而观察到大量沿裂纹扩大方向汇聚的河道花腔。。。此外，由裂纹尖端交替钝化和锐化形成的委顿辉纹也清澈可见。。。但在 3 种应力比下，这些特点出现了肯定的差距。。。随着应力比的增大，河道花腔更多，委顿辉纹逐步变浅，注明并且二次裂纹的数量也随之增长。。。

2.4 分析会商

在委顿裂纹扩大过程中，由外载荷扭转引起的裂纹闭合效应是资料委顿裂纹扩大速度的重要影响成分之一[23-24]。。。通常以为，应力比对委顿裂纹扩大速度的影响重要起源于裂纹的闭合效应，即在 P_max 恒按时，当应力比力小时，均匀应力 P_m=P_max×(1?R)/2 也较小，此时裂纹面接触闭合的功夫较长，闭合效应显著；随着应力比的增大，均匀应力随之增大，裂纹的张开位移变大，此时闭合效应会减弱甚至隐没，因而委顿裂纹扩大速度加快[25]。。。显然，这一法规现实上是由外部载荷成分导致的必然了局，与资料的成形工艺或资料组织类型没有必然的联系。。。

在委顿裂纹扩大过程中，裂纹扩大的驱动力重要起源于正应力和切应力 2 个分量[26]，如式（4）~（5）所示。。。

式中：τ_a为临界平面上的切应力幅；σ_a 为正应力幅；σ_max为最大正应力；σ_n,σ_max为临界平面上的最大正应力。。。为衡量正应力与切应力的关系，进而思考2 种应力对委顿危险的综合影响，引入临界平面应力比 ρ[26]，如式（6）所示。。。

通过式（6）推算得到应力比为 0.1、、0.3 和 0.5时所对应的 ρ别离为 2.22、、2.86 和 4.00，注明随着应力比的增大，正应力对委顿裂纹扩大的作用逐步增大。。。由于正应力的存在能够加快委顿裂纹的扩大，应力比的增大对应较高的 ρ ，提高了正应力在裂纹扩大过程中的加快成效，因而裂纹扩大速度在应力比为 0.5 时最大。。。

3、、 结论

1）在一样?K 前提下，随着应力比的增大，委顿裂纹扩大速度增大。。。

2）在 Paris 公式中，当应力比由 0.1 增大到 0.5时，参数 C 从 1.42×10^?11 降低到 1.21×10^?11，参数 m从 3.11 增大到 3.55，且 m 和 lg C 呈线性关系（m=-60.021gC-5.82）。。。

3）随应力比的增大，断口理论的河道花腔增多、、委顿辉纹变浅、、二次裂纹数量增长。。。

4）应力比引起的裂纹尖端闭合效应和平面应力比变动是导致裂纹扩大速度产生扭转的重要原因。。。

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