1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

一、前言

钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。世界上许多国家都认识到钛合金材料的重要性，相继对其进行研究开发，并得到了实际应用。20世纪50～60年代，主要是发展航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金，70年代开发出一批耐蚀钛合金，80年代以来，耐蚀钛合金和高强钛合金得到进一步发展。钛合金主要用于制作飞机发动机压气机部件，其次为火箭、导弹和高速飞机的结构件。

二、 Ti-6Al-4V（TC4）

钛合金TC4材料的组成为Ti-6Al-4V，具有良好的综合力学机械性能，比强度大。钛合金的热导率低，钛合金的热导率为铁的1/5、铝的1/10，TC4的热导l=7.955W/m#183;K。线膨胀系数为7.89#215;10^-6℃，比热为0.612cal/g#183;℃。钛合金其弹性模量较低。TC4的弹性模量E=110GPa，约为钢的1/2，所以钛合金加工时容易产生变形。TC4(Ti-6Al-4V)和TA7(Ti-5Al-2.5Sn)钛合金，采用两种注入方案进行表面改性，经试验后表明，钛合金经离子注入后，提高了显微硬度，显著地降低了滑动摩擦系数，有效地提高了耐磨性。为探明其改性机理，对注入与未注入样品进行了X射线光电子能谱(XPS)分析，获得满意的结果^[6]。

2.1 TC4钛合金力学性能

抗压强度σb≥895Mpa，规定残余拉伸应力σr≥825Mpa，伸长率δ5≥10%，断面收缩率ψ≥25%。

2.2 钛合金密度

4.5（g/cm3）工作温度100～550（℃）。

2.3 钛合金化学成分

TC4含钛(Ti)余量，铁(Fe)≤0.30，碳(C)≤0.10，氮(N)≤0.05，氢(H)≤0.015，氧(O)≤0.20，铝(Al)5.5～6.8，钒(V)3.5～4.5。

2.4 TC4的动态力学性能

2.4.1 TC4动态断裂行为背景

钦合金具有优良的力学性能,在航空、航天、船舶、化工以及常规兵器等领域中都得到了广泛的应用^[7]。在一般工程问题中,结构材料需要经常承受各种动态载荷作用。动态载荷可以是振动载荷、冲击力或者是波动作用,例如,地震、爆炸这些作用于结构体的属于波动作用,火车车轮通过铁轨接头时、机床使用不当主轴”咬住”时的载荷属冲击作用。钦及钦合金具有比较低的比热和热导率,被认为是一种绝热剪切非常敏感的材料,可以通过评价绝热剪切敏感性的判据来评价其动态承载能力。绝热剪切敏感性是材料抵抗绝热剪切带形核及扩展的能力,其判据可以分为两大类：第一类判据是将剪切带形成瞬间的外界条件作为敏感性指标,另一类判据是形成剪切带的几何尺寸、能量等特征判断材料绝热剪切敏感性。在目前的研究中,通常使用动态强度、均匀动态塑性应变、应力塌陷时间之前吸收的能量三个指标综合评价钦合金动态力学性能^[8-9]。在评价材料动态承载能力的各项性能中,除了绝热剪切敏感性之外,还有侵彻深度、弹道极限、层裂强度、动态断裂韧性等等。动态断裂韧性是其中最重要的一个方面。

2.4.2 材料动态断裂的常用加载设备

（1）机械装置：传统的机械式和液压伺服试验机受到结构限制所能获得的加载速度较低。Charpy冲击试验常用落锤或摆锤系统是一种较为简单且常用的机械加载方式,长期以来广泛应用于评价材料冲击韧性、分析韧脆转变行为、研究缺口应力集中的影响等方面,在冶金、航天、核能、造船等领域得到广泛的应用^[10]。这类系统的锤头速度一般要求小于10m/s，这是加载速度（K）通常为10³~10⁵Mpa#183;m^1/2S^-1。

（2）气动装置：气动装置以一定压力的空气为动力,发射小质量的金属弹头,用来对材料施加冲击载荷。自从Kolsky提出和采用分离式Hopkinson压杆(简称sHPB)以来^[11], 利用这一原理制成的各种高应变率试验装置己被广泛用来研究材料在10²~10⁵s^-1高应变率下的压缩、拉伸、扭转力学性能,用此装置研究材料动态断裂韧性可以提供10⁶Mpa#183;m^1/2s^-1量级的加载速率。

（3）火药装置：在众多的冲击加载项目当中，爆炸驱动系统是所需要的资金较少的的一种技术，因此也被较多的采用。膨胀环技术^[11] 最先由Johnson等人引入。在钢桶的中心放置炸药,爆炸后冲击波向外传播并传入金属环,沿膨胀半径的轨迹推动金属环。该技术能够在几微秒内提供几十米每秒的速度。

(4)其他装置: 除上述设备之外,人们还研制了一些其他的可以产生高压的设备,如电磁加载、脉冲激光、爆炸丝、爆炸箔等。

2.4.3 分离式霍普金森压杆

分离式霍普金森杆实验技术是研究中高应变率下材料力学性能的最主要、可靠的实验方法，是爆炸与冲击动力学实验技术的重要组成部分。利用霍普金森杆不仅可以实现高应变率（102-104s^-1）单轴拉伸、压缩、剪切加载，而且还发展了动态压-剪复合加载，主、被动围压等复杂加载，以及100-101s^-1中应变率加载。本书希望在霍普金森杆实验技术基本原理的基础上，尽可能系统、全面地介绍霍普金森杆所涉及的各种加载技术、测试手段以及相应的数据处理方法，本书最后对其拓展应用也进行一定的介绍。本书融合了作者在这个领域工作的成果和经验，特别是进行分离式霍普金森杆实验技术发展和应用研究的多个国家自然科学基金项目的研究成果。书中大多数实验数据和规律认识来自于我们自己的实验研究结果。

2.4.4 动态断裂测试的信息

在静态断裂韧性测试中,仅仅涉及载荷和位移二个参数,并且这二个参数的测试可以独立进行。然而动态断裂过程不同，要求同时记录这二个信息。所以需要另外增加一个时间参数的测量，并且各个参数的测量需要保证同时进行。动态测试的主要技术有两种。一种是动态电测技术。其中,动态载荷测量系统由压力传感器、信号变换和放大电路、记录器组成。高速冲击载荷的作用时间短,冲击强度高,需要采用超动态应变仪,结合电子示波器及波形存贮器组成载荷过程的记录系统。另一种是动态光测技术,采用高速摄影设备捕捉光学图像等光学信息。

动 态断裂韧性试验有两方面重要内容,一方面需要判断或者获取裂纹起始扩展时间,另一方面需要获取载荷变化情况以及确定应力强度因子。现阶段,对应于上述两个方面,主要有以下二种技术手段:

（1） （1）裂纹起裂时间的确定：在测量材料动态断裂韧性的试验中,起裂点的确定是关键问题，动态电测技术及光测技术对应着不同的起裂时间测定方式。

其中主要的方法有：小角度冲击法，应变片法，COD法，揉度变化率法等。

（2）动态应力强度因子的确定：对动态应力强度因子的确定,一般采用间接的方法,先确定试样承受的冲击载荷、加载点位移和裂纹起始扩展时间,再通过计算确定动态应力强度因子。

其主要的方法有：近似计算法、应变片法、冲击响应曲线法以及实验一数值混合法等。

2.4.5 各条件对断裂行为的影响

（1）加载速度：加载速度对材料的断裂韧性的影响可能会出现三种情况,如图4所示：(a)：冲击断裂韧性随加载速率的提高而继续下降;(b)：冲击断裂韧性达到某个最小值,并且随着加载速率的提高维持在这个水平;(c)：冲击断裂韧性达到一个最小值,如果加载速率更高,超过这个最小值极限,冲击断裂韧性会提高。

图1 加载速率对断裂韧性的影响^[13]

（2）式样形式: 在示波冲击测试材料断裂韧性的试验中,要求试样的断裂时间t必须要满足Tgt;3T(T为试样固有的振动周期)条件。

（3）试验温度：随着试验温度的降低,材料的动态断裂韧性会下降,但不一定会出现韧脆转折现象。

2.5 应变率对拉伸试验的影响

2.5.1 应变速率对抗拉强度的影响

图2为抗拉强度随应变速率的变化规律! 可看出,当应变速率从范围2提高到范围3时抗拉强度值略有增加,在范围3的#177;20%的相对误差范围内,抗拉强度随应变速率的变化不明显:当应变速率进入范围4时，抗拉强度显著提高，在#177;20%的相对误差范围内，应力值变化幅度也较大。

图2抗拉强度随应变率的变化规律

2.5.2 应变速率对拉伸曲线的影响

图3为拉伸过程中由第一拉伸速度转换到不同的第二拉伸速度时拉伸曲线上应力突变大小情况。可看出，与单一速率进行拉伸（对应图中a）相比，当过了弹性阶段进入第二拉伸速度时，随第二拉伸速度的增大，则应力突变现象较为显著。

图3 应力突变值随应变速率的变化规律

2.6 TC4粉末及其制品的制备

制备-6A1-4V粉末主要有氢化脱氢法( HDH)和雾化法。氢化脱氢法由于产品粒度范围宽、成本低、生产的粉末形状不规则、对原料的要求不苛刻、工艺较易实现，而成为国内外制取钛合金粉末的主要工业方法。但是HDH法制 取的钛合金粉中氧含量难以控制，影响了其粉末冶金制品的性能。尤其是Ti-6AI-4V合金应用最多的宇航部门，对粉末中的氧含量要求十分苛刻。目前制取低氧球形高质量的Ti-Al6-4V粉末主要采用雾化法中的等离子旋转电极法和惰性气体雾化法。等离子旋转电极法（PREP）生产的粉末具有较好的球形度、流动性等,可以制得相对密度高、力学性能好的钛合金部件,但只能制取粒度较大的粉末，粉末粒度分布范围较窄，而且由于成本高，一般只能用于航空航天领域^[14]。国内西北有色金属研究 院和钢铁研究总院采用PREP设备制取高质量的钛及钛合金粉末，受限于其成本及小批量，近年来主要用于高技术新材料的研究开发^[12]。

2.6.1 多孔金属材料制品

由Ti-6A1-4V合金粉末所制成的各种多孔材料主要应用于生物医学领域:如骨骼植入体和人体齿根植入用的多孔骨层材料。TC4合金具有良好的生物相容性和抗腐蚀性能，由于骨骼在多孔植入体表面内可以高度生长，同时体液也可以通过三维连通孔阵列更好传输，使多孔植入体能与骨骼发生良好的相互作用口，从而可以增强骨骼与植人体界面的结合。此外，TC4多孔材料的弹性模量低，降低了应力遮蔽程度，延长了植人体的寿命。但TC4多孔材料的疲劳强度较低且存在元素的细胞毒性问题，一般需要对其进行表面处理。

2.6.2 致密材料

钛合金粉末被广泛用作制取钛合金粉末冶金致密材料的原料，目前在市场上钛合金粉末冶金致密材料主要应用在航空航天及汽车工业的钛粉末冶金结构零部件上。由于雾化钛合金粉末在生产过程中冷却快，显微组织结构良好，化合物的元素成分没有宏观偏析，因此生产的高强度钛合金零件的力学性能优于常规方法生产的零件。美国、德国、日本等这些发达国家现已将TC4合金粉末用于生产航空航天飞行器上的涡轮盘叶片等。

2.6.3 Ti-6Al-4V制亚微米甚至纳米晶合金

提高金属材料性能的方法之一就是生产平均晶粒尺寸小于1cm的合金，这种方法可使合金的强度提高2-3倍。亚微米晶合金出现超塑性的温度比微米晶合金的低得多。经超塑性成型扩散结合(SPFIDB)可获得亚微米甚至纳米晶合金。超塑成型前的合金不允许存在各向异性，利用大塑性变形如等通道挤压或多重等温锻造可消除合金内的各向异性。俄罗斯研究人员给出获得各向同性亚微米晶板材Ti-6Al-4V的方法^[15]。并研究了板材的室温和高温机械性能及其超塑性。俄罗斯VSMPO提供直径为5ram的Ti-6Al-4V合金棒材(6.1A1、4.9V、0.26Fe)。在700℃-600℃内逐渐降低温度，多重等温锻造获得亚微米晶的锻件，其尺100mm#215;100ram#215;90ram。随后在不高于650℃的温度下轧制成300ram#215;200ram#215;0.8ram的各向同性亚微米晶板材。从板材上切取15ram#215;4ram#215;0.8ram作为拉伸试样，拉伸轴与轧制方向分别成45#176;、90#176;角，完成20℃、650℃、700℃、750℃下的拉伸试验，应变速率为l0.4/s-10.6/s。

2.6.4 Ti-6Al-4V包覆叠轧加工钛合金薄板

Ti-6Al-4V包覆叠轧^[16]是一种加工钛合金薄板的有效手段。通过选择不同的轧制变形工艺与变形温度等参数，研究了Ti-6Al-4V合金板材组织性能、裂纹扩展特性、断口形貌和织构形念的变化规律等，并重点采用EBSD技术研究了板材的织构形念及其对各项性能的影响情况与内在晶体学机制。

三、电子束选区熔化（Electron beam selective melting，EBSM）

EBSM^[1]是采用高能电子束作为加工热源，扫描成形可以通过操纵磁偏转线圈进行，且电子束具有的真空环境，还可以避免金属粉末在液相烧结或熔化过程中被氧化^[2]。因为电子束具有的上述多个优点，瑞典的Arcam公司、清华大学、美国麻省理工学院和美国 NASA的Langley研究中心，均开发出了各自的电子束快速制造系统 ，前两家利用电子束熔化铺在工作台面上的金属粉末，与激光选区烧结技术类似；后两家利用电子束熔化金属丝材，电子束固定不动，金属丝材通过送丝装置和工作台移动，与激光净成形制造技术类似。

3.1 EBSM技术的原理及步骤系统

利用金属粉末在电子束轰击下熔化的原理，先在铺粉的平面上铺展一层粉末并压实；然后，电子束在计 算机的控制下按照截面轮廓的信息进行有选择的熔化/烧结，层层堆积，直至整个零件全部熔化/烧结完成^[3]。

EBSM技术主要有送粉、铺粉、熔化等几个工艺步骤^[4-5]，因此，在其真空室应当具备铺送粉机构、粉末回收箱以及成形平台。同时，还应当包含电子枪系统、真空系统、电源系统和控制系统。在这其中，控制系统应包括扫描控制系统、运动控制系统、电源控制系统、真空控制系统和温度检测系统。整个系统如下图4所示：

图4 EBSM系统示意图

3.2EBSM-250电子束选区融化设备

3.2.1技术参数如下表1所示:

表1 EBSM-250选区融化设备技术参数

功率	3.5KW	加速电压	0-70KV
束流	0-50mA	束斑直径	~0.4mm
真空度	lt;10-3pa	偏转精度	#177;0.2mm
最大扫描速度	gt;100m/s	粉层厚度	0.05~0.2mm
最大成形尺寸	大缸200*200*200mm3 小缸80*80*80mm3	成形效率	~10cm3/h（视零件形状而定）

3.2.2 成形室

图3 EBSM-250设备成形室

3.2.3操作台

（1）工控机：运行相关成形软件。

（2）枪室真空计：显示枪室的气压，左侧为低真空下的气压显示，右侧为高真空的气压显示。

（3）成形室真空计：显示成形室的气压，左侧为低气压显示(gt;10pa),右侧为高气压显示。

（4）枪室分子泵电源：显示枪室分子泵转速，正常的工作转速为700~800。

（5）成形室分子泵电源：显示成形室分子泵转速，正常的工作转速为24000。

（6）开关：该电源开关控制除工控机以外的其他部件的供电。

（7）急停：当束流出现异常时，按下急停按钮，系统会切断高压电源。

（8）下束开关：手动下束按钮。

（9）手轮：调节聚焦电流、灯丝电流、高压等设定值。

（10）报警灯：正常状态熄灭。当该灯亮起，需要在控制软件中查看相应提示，寻找故障。

（11）温度示数：显示成形底板下表面附近的温度值。

图4 EBSM-250设备操作台

四、我国钛以及钛合金的发展现状和展望

我国是一个资源大国.丰富的钛的资源，为发展钛工业提供了非常优越条件，也必将为钛在各个领域里的广泛应用开辟美好的前景。但是经过几十年的发展，目前已形成从钛矿、海绵钛、钛冶炼和钛材生产、钛设备制造的整体工业体系。我国的钛工业和美国,德国,日本等发达国家一样是为航空而兴起的，我国在上世纪80年代就确定了大力推广钛材民用的方针，国家又适时地采取了一系列的扶持政策，钛工业才走上了稳定发展的道路。但是，目前我国钛工业的规模和钛材的产量与世界发达国家还有很大的差距，在民用工业上钛的用量也还较小，其主要原因是钛金属材料的优越性还没有被广泛认识到，再加上钛材料昂贵的价格是很多企业不能承受的，这就直接影响了钛材料的推广使用。想要使我国的钛工业得到高速发展，就必须大力宣传和推广使用钛金属材料，使钛金属材料的优越性得到充分的应用。

五、参考文献

[1]Hei Wei,Qi Haibo,Lin Feng,et al.电子束直接金属成型技术的工艺研究[J].Electrician and Mould Processing.2006(1):5-11.

[2]Cormler D,Harry sson 0,West H.Characterization of H13 Steel Produced via Electron Beam Melting[J].Rapid Pmtotyping,2004,10(1):35-41.

[3]胡孝昀,沈以赴,李子全.金属粉末激光快速成形的工艺及材料成形性[J].材料科学与工艺,2008,16(3):378-383.

[4]Amit Bandyopadhyay,B.V.Krishna,Weichang Xue,et al.Application of Laser Engineered Net Shaping(LENS) to Manufacture Porous and Functionally Graded Struturse for Load Bearing Implants[J].Journal of Materials Science:Materials in Medicine,2009,20:29-34.

[5]沈显峰.多元金属粉末直接激光烧结过程数值模拟及烧结区域预测[D].成都:四川大学,2005.

[6]王胜.Ti-6Al-4V的研究进展.材料工程学院

[7]C莱茵斯,M皮特尔斯.钦与钦合金〔M〕.北京:化学工业出版社,2005

[8]Lee D G,Kim S G,Kee S H,et al.Effects of Microstructural Morphology on Quasi-Static and Dynamic Deformation Behaviou of Ti-6Al-4V Alloy[J].Alloy[J]. METALLURGICAL AND MATERIALS TRANSACTIONS.A,2001,32A(2):315-324.

[9]刘睿.钛合金动态断裂韧性测试方法及断裂行为的研究 [M].北京有色金属研究总院，2010.

[10]郑坚,王泽平,段祝平.动态断裂的加载和测试技术[J].力学进展,1994,24(4):459-473.

[11]Meyers M A.Dynamic Behavior of Materials[M] .New York:John Wiley amp; SonsInc.,1994.

[12]刘娜,Ti-6Al-4V粉末及其制品的研究进展,北京航空航天材料研究院先进高温结构材料国防重点实验室,北京,100095.材料导报:综述篇,2010.

[13]Kalthoff J F.Fracture Behavior Under High Rates of Loading[J].Engineering Fracture Mechanics,1986,23(1):289-298.

[14]Andersen P J,Alber N E,Thellmann E L.P/M titanium reduces aerospace components costs[J].Precision Met,1980,104:34.

[15]《稀有金属快报》,2002年第4期.

[16]《材料工程》2004年第11期.

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

1、研究内容

研究电子束选区熔化技术制备ti-6al-4v的不同应变率下的动态力学性能，并在得到电子束选区熔化技术制备ti-6al-4v的不同应变率下的动态力学性能数据的基础上，结合断裂组织形貌的演变情况，根据动态过程中所发生的现象并分析原因。

2、研究手段