一种预测增材制备不同取向材料易开动滑移系数量的方法与流程

：
1.本发明属于电子束增材制造领域，具体为一种预测增材制备不同取向材料易开动 滑移系数量的方法，适用于电子束增材制造的单相(或近单相)金属材料。


背景技术：

2.增材制造技术(additive manufacturing,am)起源于20世纪80年代，经过40余年 的完善发展，已成为引领制造业变革的关键技术之一。在金属材料加工制造领域，根 据能量源类型的不同，增材制造技术大体分为电子束、激光、电弧增材制造三种。区 别于传统的“减材”、“等材”制造技术，金属增材制造依靠切片处理的零件三维模型， 控制能量源移动熔化金属粉末或丝材，熔融金属逐点、逐线、逐面堆叠为最终实体零 件。金属增材制造集智能制造、新材料、精密控制等高新技术于一体，具有快速高效、 节约成本、不受限于复杂结构等显著优势，为定制化设计理念开拓了广阔空间。
3.相比于激光增材制造，电子束增材制造具有较高的能量利用率，制造过程的高真 空度能够保证样品的高纯净度。基板及粉层的预热过程极大地降低了成型零件的残余 内应力，尤其在大尺寸零件的加工制备方面具有显著优势。但电子束增材制造过程的 单一热流方向，使得晶粒极易沿着《001》取向择优生长，且晶粒的外延生长更明显， 造成了成型材料内部较强的《001》取向织构。这就是电子束增材制造材料具有明显各 向异性的原因，如果不能合理利用这一特点，将会使之成为增材制造技术的固有弊端。 由于很多金属材料某一取向的单晶体具有某些特殊性能，例如：对于ti-24nb-4zr-8sn 合金，《001》取向单晶体的弹性模量更低，更适用于生物医学领域，因此可以利用电 子束增材制造技术形成的《001》强织构，获得单晶体具有的突出性能，并且能够节省 制备单晶材料的成本。近年来，开始有研究尝试通过调整材料打印方向(moses j p,qianl,james p b,xiaopeng l,jamie j k,upadrasta r,bernd g.acta mater,2021；211: 116869)，利用普遍形成的《001》立方织构或丝织构来调整材料的力学性能，获得具有 单晶特性且性能优异的金属多晶材料。
4.这就需要提前预测不同打印方向制备的材料性能，以节约实验成本，为样品及实 验设计提供参考。对于以滑移变形为主的单相金属材料，滑移系的开动情况显著影响 着材料的力学性能，一般情况下，开动滑移系较多的材料具有更好的塑性性能。对于 以滑移变形为主、具有单一强织构的单相金属材料，同样需要从单晶角度分析滑移系 开动情况，来对材料的力学性能优劣做出解释。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种预测增材制备不同取向材料易开动滑移系数量的方法， 该方法能够对不同取向的电子束增材制造材料的塑性性能进行预测。同时，该方法还 能对传统方法制备的单晶类材料，或以滑移变形为主要变形机制、具有单一强织构的 单相多晶材料进行塑性机制分析，为材料性能的分析、改进、预测提供参考。
6.本发明技术方案如下：
7.一种预测增材制备不同取向材料易开动滑移系数量的方法，包含下列步骤：
8.1)建立样品室坐标系；
9.2)确定样品模型长度方向与基板平面的夹角；
10.3)建立样品坐标系；
11.4)根据欧拉角原理，确定各个角度取值；
12.5)利用欧拉角取向矩阵，将加载方向变换至晶体坐标系；
13.6)根据施密特因子计算公式，计算出对应晶体结构所有滑移系的施密特因子， 其中取值》0.4的滑移系即为易开动滑移系，对比不同取向样品的易开动滑移系数量， 能够评测样品的塑性性能优劣。
14.所述的预测增材制备不同取向材料易开动滑移系数量的方法，步骤1)中，建立 的样品室坐标系(o-xyz)，x、y轴位于基板平面，z轴为基板平面法向，为确定样品 模型长度方向与基板的夹角提供便捷。
15.所述的预测增材制备不同取向材料易开动滑移系数量的方法，步骤2)中，规定 样品模型长度方向与基板平面的夹角θ的取值范围为0
°
～90
°
，夹角计算公式为，夹角计算公式为其中为样品长度方向矢量，为基板平面法向量。
16.所述的预测增材制备不同取向材料易开动滑移系数量的方法，步骤3)中，建立 的样品坐标系(o-xyz)起到固定样品与外力位置的作用，规定x轴为外力加载方向，xy 平面为晶粒长轴所在平面。
17.所述的预测增材制备不同取向材料易开动滑移系数量的方法，步骤4)中，根据 欧拉角原理，利用一组欧拉角来表示晶体坐标系与样品坐标系的取向关系，代表旋进角，φ代表章动角，代表自转角；已知，电子束增材制造工艺过程容易 在垂直于基板方向形成《001》立方织构或丝织构；对于立方织构，φ＝0
°
， θ角的改变表征的是不同取向样品与外力加载方向的相对取向关系；将这一组 欧拉角带入计算公式，最终可得到不同取向材料的易开动滑移系数量；对于丝织构，φ＝0
°‑
180
°
，将角度φ以5
°
或更小间隔由0
°
递增至180
°
，能够表征 出丝织构内各个晶粒的取向行为；将这一递增过程的每组欧拉角代入公式计算，最终 能够得到丝织构内各种取向晶粒的易开动滑移系数量；将易开动滑移系数量与角度φ 做成曲线，能够看出晶粒沿丝织构轴向转动不同角度，易开动滑移系数量的变化趋势。
18.所述的预测增材制备不同取向材料易开动滑移系数量的方法，步骤5)中，需要 运用欧拉角取向转换矩阵，根据如下公式：
[0019][0020]
其中，u、v、w为晶面指数，代表旋进角，φ代表章动角，代表 自转角，将样品坐标系内的加载方向矢量转换至晶体坐标系(o-uvw)， 这里规定样品坐标系内
[0021]
所述的预测增材制备不同取向材料易开动滑移系数量的方法，步骤6) 中，规定滑移面法向量为滑移方向矢量为根据施密特因子计算公 式μ＝|cosδcosγ|，需要计算滑移面法向量与加载方向矢量夹角δ的余 与加载方向矢量夹角γ的余弦值，计算公式如下：
[0022][0023][0024]
将两夹角余弦值代入施密特因子计算公式，计算出所有滑移系的施密特因子，其 中取值》0.4的滑移系即为易开动滑移系，对比不同取向样品的易开动滑移系数量，能 够评测样品的塑性性能优劣。
[0025]
本发明的设计思想是：
[0026]
针对增材制造这种类似于定向凝固工艺制备的金属材料普遍具有《100》织构的特 点，结合迹线法确定材料开动滑移系类型的原理，提出一种预测增材制备不同取向材 料易开动滑移系数量的方法。把具有《100》强织构的金属材料当作《100》单晶材料处理， 根据单晶变形的施密特定律计算不同取向材料的施密特因子，通过对比施密特因子取 值》0.4的滑移系数量便能预测不同取向样品的塑性性能优劣。这种方法不需要任何力 学测试，能够为零件设计提供参考，进而从零件设计阶段尽量避开性能较差的堆积取 向，节约生产成本。
[0027]
本发明具有如下特点：
[0028]
1、本发明能够紧密结合电子束增材制造的工艺特点，直接利用该工艺形成的单一 强织构，计算沿着不同方向堆积出的样品在单向载荷下的易开动滑移系数量，进而预 测不同堆积方向制备的样品的力学性能优劣，确定最优的样品堆积方向。这一过程无 需制备实体样品进行测试，节省大量成本，为零件的设计制备提供了参考。
[0029]
2、本发明方法同样适用于传统方法制备的单晶类材料，或以滑移变形为主要变形 机制、具有单一强织构的单相多晶材料。例如：形成单一强织构的单相轧制材料、各 种方法制备的单晶材料、定向凝固的单相材料等。
[0030]
3、本发明方法对具有立方织构或丝织构的材料均适用，并且适用于不同的晶体结 构。针对丝织构还能做出晶粒沿丝织构轴向转动不同角度，易开动滑移系数量变化的 曲线。以便通过控制织构类型调整材料的力学性能。
[0031]
4、本发明方法还可以结合ebsd测试技术，对以滑移变形为主要机制的材料进 行力学性能分析，例如：微织构对材料滑移变形的影响。帮助确定影响材料性能的主 要因素，为材料性能提升以及制备工艺优化提供参考。
[0032]
5、本发明方法充分应用了单晶体的特性，同时结合了欧拉空间取向转换、滑移系 启动条件等方面的理论。计算原理通俗易懂，计算方法简便且适用范围较广，弥补了 不同取向材料力学性能预测方面的空白，为材料各向异性研究提供了一种新的研究方 法。
附图说明：
[0033]
图1为样品室坐标系(o-xyz)与基板和样品的位置关系示意图。
[0034]
图2为样品坐标系(o-xyz)与外加载荷和晶体的取向关系示意图。
[0035]
图3(a)为欧拉角转动示意图。
[0036]
图3(b)为欧拉角转动结束两坐标系位置关系示意图。
[0037]
图4为易开动滑移系数量与角度φ关系示意图。图中，横坐标ф代表角度(degree)， 纵坐标the number of slip systems代表易开动滑移系数量。
具体实施方式：
[0038]
在具体实施过程中，本发明预测增材制备不同取向材料易开动滑移系数量的方法， 包含如下步骤：
[0039]
1)建立样品室坐标系(o-xyz)；
[0040]
以电子束增材制造的样品成型室为模型建立坐标系(o-xyz)，规定x、y轴分别 平行于基板的两条直角边，z轴为基板平面法向(样品堆积方向)，如图1所示。
[0041]
2)确定样品模型长度方向与基板平面的夹角θ；
[0042]
在样品室坐标系内确定样品长度方向的方向矢量和基板平面的法向量(如图 1所示)，代入公式
①
计算出样品长度方向与基板平面的夹角θ(取值范围0
°
～90
°
)，公 式如下：
[0043][0044]
也可以在样品模型设计阶段直接确定，或者用模型设计软件量出此夹角。
[0045]
3)建立样品坐标系(o-xyz)；
[0046]
在样品模型上建立样品坐标系(o-xyz)，来固定样品与外力的相对位置，规定xy平 面平行于晶粒的{100}晶面族，x轴为外力加载方向，xy平面为晶粒长轴所在平面,如 图2所示。在电子束增材制造过程中，晶粒沿着堆积方向外延生长形成柱状晶，因此 晶粒长轴方向平行于基板法向(z轴)。根据几何关系可知，晶粒长轴方向与外力加载 方向夹角为90
°‑
θ。
[0047]
4)根据欧拉角原理，确定各个角度取值；
[0048]
用一组欧拉角来描述样品坐标系与晶体坐标系的相对位置关系。根据欧 拉角定义，样品坐标系先围绕z轴旋转角度(如图3a所示)，再围绕新的x轴旋转角 度φ，最后围绕新的z轴旋转角度使得样品坐标系与晶体坐标系重合(如图3b所示)， 逆时针方向旋转角度为正。已知电子束增材制造过程中，柱状晶的《001》取向沿着堆 积方向择优生长形成织构，因此晶体长轴方向即为《001》方向。结合图2所示样品坐 标系与晶体位置关系可知，对于普遍形成《001》立方织构的材料，欧拉角取值为φ＝0
°
，样品坐标系只需绕z轴逆时针旋转θ角即可与晶体坐标系重 合，此时晶体的《001》晶向与x轴重合。将这一组欧拉角带入计算公式，最终可得到 不同取向材料的易开动滑移系数量。对于形成《001》丝织构的材料，各晶粒围绕《001》 方向旋转不同的角度，因此欧拉角取值为φ＝0
°‑
180
°
，在立方织构的 基础上，样品坐标系绕《001》晶向(x轴)旋转0°‑
180
°
与晶体坐标系重合。为了简化计算， 将角度φ以5
°
(或更小间隔)代入公式计算，最终能够得到丝织构内各种取向晶粒的易 开动滑移系数量。将易开动滑移系数量与角度φ做成曲线，能够看出晶粒沿丝织构轴 向转动不同角度，易开动滑移系数量的变化趋势。
[0049]
对于适用于本发明的非电子束增材制造材料，可通过查阅文献或ebsd测试直接 获取欧拉角取值。
[0050]
5)利用欧拉角取向矩阵，将加载方向变换至晶体坐标系；
[0051]
规定沿着样品坐标系的x轴方向施加载荷，加载方向矢量运用欧拉角取向转换矩阵，根据公式
②
将加载方向矢量转换至晶体坐标 系(o-uvw)，其中u、v、w为晶面指数。
[0052][0053]
6)根据施密特因子计算公式，计算出对应晶体结构所有滑移系的施密特因子， 其中取值》0.4的滑移系即为易开动滑移系，对比不同取向样品的易开动滑移系数量， 能够评测样品的塑性性能优劣。
[0054]
规定滑移面法向量为滑移方向矢量为根据施密特因子计算公 式(公式
③
)，需要根据公式
④
、公式
⑤
计算出滑移面法向量与加载方向 矢量夹角δ的余弦值，以及滑移方向矢量与加载方向矢量夹角γ的余弦 值。
[0055]
μ＝|cosδcosγ|
ꢀꢀꢀ③
[0056][0057][0058]
将两夹角余弦值代入施密特因子计算公式，计算出所有滑移系的施密特因子，其 中取值》0.4的滑移系即为易开动滑移系。统计对比不同取向样品的易开动滑移系数量， 易开动滑移系数量较多的材料塑性性能更好。
[0059]
下面，通过实施例和附图对本发明进一步详细阐述。
[0060]
实施例1
[0061]
利用magics 17.0软件设计出与基板夹角为0
°
和45
°
的圆柱样品，尺寸均为φ12
×
47 mm，计划选用ti-24nb-4zr-8sn(ti2448)合金制备样品。根据实验结果已知，电子束 增材制造的ti2448合金经过固溶处理能够变为单一β相合金(体心立方结构)，且在最 优制备参数下具有较强的《001》立方织构，适用于本发明提供的计算方法。
[0062]
按照步骤2)所述的θ角取值为θ1＝0
°
，θ2＝45
°
，因此步骤3)中所述90
°‑
θ1＝90
°
， 90
°‑
θ2＝45
°
，确定步骤4)中的欧拉角分别为(90
°
,0
°
,0
°
)和(45
°
,0
°
,0
°
)。将确定的两组欧 拉角分别代入步骤5)，将外加载荷方向变换至晶体坐标系。
[0063]
对于θ1＝0
°
样品，转换至晶体坐标系的加载方向矢量已知 体心立方晶体共有48组滑移系(如表1所示)，将步骤6)所述每组滑移系 的滑移面法向量滑移方
向矢量和加载方向矢量代入公式
③‑ꢀ⑤
计算施密特因子，此步骤计算量较大，可借助excel或其他软件进行 计算。根据计算结果统计出，施密特因子大于0.4的易开动滑移系有20 组(如表1所示)。
[0064]
表1为体心立方结构48组滑移系及对应的施密特因子(μ)计算结果
[0065]
滑移系μ滑移系μ(110)[-111]0.41(123)[11-1]0.31(110)[1-11]0.41(213)[11-1]0.15(011)[1-11]0.41(231)[1-11]0.46(011)[11-1]0.41(321)[-111]0.31(101)[-111]0(312)[-111]0.15(101)[11-1]0(132)[1-11]0.46(-110)[111]0.41(-123)[-11-1]0.31(-110)[11-1]0.41(1-23)[1-1-1]0.31(0-11)[111]0.41(12-3)[111]0.31(0-11)[-111]0.41(-213)[-11-1]0.15(-101)[111]0(2-13)[1-1-1]0.15(-101)[1-11]0(21-3)[111]0.15(112)[11-1]0.24(-231)[-1-11]0.46(121)[1-11]0.47(2-31)[111]0.46(211)[-111]0.24(23-1)[1-1-1]0.46(-112)[-11-1]0.24(-321)[111]0.31(1-12)[1-1-1]0.24(3-21)[-1-11]0.31(11-2)[111]0.24(32-1)[-11-1]0.31(-121)[-1-11]0.47(-312)[111]0.15(1-21)[111]0.47(3-12)[-1-11]0.15(12-1)[1-1-1]0.47(31-2)[-11-1]0.15(-211)[111]0.24(-132)[-1-11]0.46(2-11)[-1-11]0.24(1-32)[111]0.46(21-1)[-11-1]0.24(13-2)[1-1-1]0.46
[0066]
同理，对于θ2＝45
°
的样品，计算结果显示，施密特因子大于0.4的易开动滑移系有 10组。
[0067]
能够看出，与基板夹角0
°
的样品易开动滑移系数量明显多于与基板夹角45
°
的样 品，推测0
°
样品的力学性能(特别是塑性性能)要优于45
°
样品。经过实验验证，预测结 果与实际相符，0
°
样品的力学性能较好。
[0068]
实施例2
[0069]
已知调整电子束增材制造的工艺参数，能够制备出具有丝织构的材料。计划选用 实施例1中的ti2448合金制备与基板夹角为45
°
的丝织构样品，并固溶处理为单一β 相。
[0070]
按照步骤2)所述的θ角取值为45
°
，步骤3)中所述90
°‑
θ＝45
°
，步骤4) 中的欧拉角为(45
°
,0
°‑
180
°
,0
°
)，将其中的角度φ以5
°
间隔递增，代入每 组欧拉角进行步骤5)的坐标
系变换，随后将晶体坐标系内的加载方向矢 量代入步骤6)计算施密特因子，并统计每组欧拉角对应的施密特因子大 于0.4的滑移系数量。由于体心立方结构具有4次对称性，角度φ在0
°‑
90
°ꢀ
区间取值与90
°‑
180
°
区间取值构成的加载条件等效，因此只需计算0
°‑
90
°ꢀ
区间即可，需要计算17次。将易开动滑移系数量与角度φ做成曲线，能 够看出晶粒沿丝织构轴向转动不同角度，易开动滑移系数量的变化趋势 (如图4所示)。角度φ等于45
°
和135
°
为易开动滑移系数量最少，对材料 性能不利的取向。
[0071]
实施例结果表明，本发明从单晶角度提供了一种计算增材制备不同取向材料易开 动滑移系数量的方法，以预测电子束增材制造不同打印方向材料的塑性性能。该方法 适用于电子束增材制造单相金属材料，计算方法简便快捷，能够预测不同取向材料的 塑性性能，节约实验成本。