沖擊載荷下增材制造金屬材料的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及微觀結(jié)構(gòu)演化研究進(jìn)展

劉 洋，徐懷忠，汪小鋒，李治國，胡建波，王永剛

（1. 寧波大學(xué)沖擊與安全工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 寧波 315211；2. 寧波大學(xué)機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院，浙江 寧波 315211；3. 中國工程物理研究院流體物理研究所沖擊波物理與爆轟物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽 621999）

增材制造（Additive manufacturing，AM）方法是基于零件的三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，采用材料逐層累加、“自下而上”的新型制造方法。相對于傳統(tǒng)的材料去除（切削加工）技術(shù)，增材制造技術(shù)不需要復(fù)雜的刀具、夾具及多道加工工序，實(shí)現(xiàn)了“自由制造”，解決了許多過去難以制造的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的成形問題，大大減少了加工工序，縮短了加工周期，而且結(jié)構(gòu)越復(fù)雜的產(chǎn)品，其制造速度的優(yōu)勢越顯著[1–3]。增材制造技術(shù)自20 世紀(jì)80 年代問世以來，也被稱為“快速原型”（Rapid prototyping）、“分層制造”（Layered manufacturing）、“實(shí)體自由制造”（Solid free-form fabrication）、“3D 打印技術(shù)”（3D printing）等，各異的名稱從不同側(cè)面表達(dá)了該制造技術(shù)的特點(diǎn)。近20 年來，隨著新材料、新工藝的不斷涌現(xiàn)，增材制造原理與不同材料和工藝相結(jié)合形成了多達(dá)20 多種增材制造技術(shù)[4–5]。按照材料種類，可將其劃分為金屬材料[6]、非金屬材料[7]、生物材料[8]等3D 打印技術(shù)。2013 年，科學(xué)家們在3D 打印的基礎(chǔ)上引入時(shí)空維度，發(fā)展了“4D 打印技術(shù)”，4D 打印主要通過材料或結(jié)構(gòu)的主動(dòng)設(shè)計(jì)，使構(gòu)件的形狀、性能和功能在時(shí)間和空間維度上實(shí)現(xiàn)可控變化，滿足變形、變性和變功能的應(yīng)用需求[9–10]。

當(dāng)前，金屬材料增材制造技術(shù)是業(yè)內(nèi)的研究熱點(diǎn)，已形成了兩類穩(wěn)定的成型工藝：一類是基于噴嘴自動(dòng)送粉的激光近凈成型技術(shù)（Laser engineering net shape，LENS），此外還包括以電弧為熱源的電弧增材制造技術(shù)[11–13]；另一類是基于粉床自動(dòng)鋪粉的激光選區(qū)熔化技術(shù)（Selective laser melting，SLM），此類技術(shù)還包括以電子束為熱源的電子束選區(qū)熔化（Electronic beam melting，EBM）[14–16]。LENS 和SLM/EBM實(shí)則代表了金屬零件增材制造的兩個(gè)不同發(fā)展方向：前者的成型效率高，可用于直接制造大型金屬構(gòu)件，但是其成型精度較低，屬于“近凈成形”；SLM/EBM 的制造精度高，但是效率低，可用于中小型精密金屬構(gòu)件制造，實(shí)現(xiàn)其直接“凈成形”。

增材制造金屬零件在航空航天、國防軍事等關(guān)鍵裝備上得到越來越多的應(yīng)用。尤其當(dāng)增材制造技術(shù)與某些具有特殊性能的材料相結(jié)合，能夠發(fā)揮傳統(tǒng)制造技術(shù)不具備的優(yōu)勢。但是由于服役環(huán)境苛刻，這些增材制造的構(gòu)件經(jīng)常會(huì)承受沖擊載荷作用，如武器裝備的毀傷和外太空中碎片對飛行器的撞擊威脅（高應(yīng)變率條件）、外空間探測器著陸和飛鳥撞機(jī)（中低應(yīng)變率條件）等，因此要求其在規(guī)定的沖擊載荷下能夠保證結(jié)構(gòu)的完整性和連續(xù)性，即具有足夠高的動(dòng)態(tài)承載能力[17]。

隨著我國航空航天、國防軍事等事業(yè)發(fā)展越來越快，對增材制造技術(shù)及產(chǎn)品的需求越來越大，越來越多的增材零件被應(yīng)用在航天器、武器裝備的關(guān)鍵部位，對增材制造零部件的動(dòng)態(tài)承載性能提出了越來越高的要求。因此有必要研究增材制造金屬材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能及其在高壓載荷作用下的宏觀力學(xué)響應(yīng)和微觀組織響應(yīng)特性，為擴(kuò)大激光增材制造技術(shù)的應(yīng)用范圍提供理論指導(dǎo)。本文主要介紹近年來在高速?zèng)_擊等極端情況下增材制造金屬零部件的宏/微觀力學(xué)響應(yīng)特征，探討該制造方法帶來的金屬材料在動(dòng)態(tài)性能方面的新變化，并展望增材制造技術(shù)及產(chǎn)品在國防軍事和武器裝備領(lǐng)域的發(fā)展方向。

1 沖擊加載測試技術(shù)

對于材料的抗壓性能，按照施加載荷的速度，可分為靜態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)加載：靜態(tài)加載的應(yīng)變率小于10–5s?1，此時(shí)可不考慮應(yīng)變率的影響；準(zhǔn)靜態(tài)壓縮的應(yīng)變率范圍為10–5～10?1s?1，應(yīng)變率的影響可忽略不計(jì)；應(yīng)變率大于10?1s?1時(shí)為動(dòng)態(tài)加載，應(yīng)變率的影響不可忽略；應(yīng)變率大于104s?1時(shí)為高應(yīng)變加載，一般用于國防、軍事裝備的防護(hù)與毀傷性能研究[18]。實(shí)踐表明，靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)壓縮時(shí)，金屬的力學(xué)性能沒有明顯變化，可以按照傳統(tǒng)的靜載荷處理，但是當(dāng)應(yīng)變速率大于10?1s?1時(shí)，尤其是在更高速的沖擊載荷作用下，多數(shù)工程材料表現(xiàn)的力學(xué)性能和損傷特征與準(zhǔn)靜態(tài)加載條件下表現(xiàn)的相應(yīng)特征完全不同。

由于與國防軍事和武器裝備等領(lǐng)域關(guān)系密切，沖擊加載技術(shù)于20 世紀(jì)中葉興起并迅速發(fā)展成熟，推動(dòng)了金屬材料沖擊響應(yīng)特性研究的快速發(fā)展[19]。在沖擊加載實(shí)驗(yàn)中，載荷以波的形式在樣品中傳播，對于大多數(shù)材料而言，在壓縮應(yīng)力作用下其內(nèi)部會(huì)形成沖擊波[20–21]。因此，沖擊加載條件的實(shí)質(zhì)就是通過一定方法產(chǎn)生大量能量（化學(xué)能、機(jī)械能、內(nèi)能等）并轉(zhuǎn)化為沖擊波。按照沖擊波速度和強(qiáng)度的不同，廣義的沖擊加載技術(shù)可分為中/低應(yīng)變率加載技術(shù)和高應(yīng)變率加載技術(shù)[22]。前者的典型代表是分離式霍普金森壓桿（Split Hopkinson pressure bar，SHPB）或Taylor 壓桿，適用的應(yīng)變率范圍為102～104s?1，主要用于研究物體在中低速度碰撞下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)[23]。當(dāng)加載應(yīng)變率接近或達(dá)到105s?1時(shí)，因慣性約束效應(yīng)，一維應(yīng)變狀態(tài)難以維持，采用傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)力學(xué)加載手段（如SHPB 或Taylor 桿等）無法獲得105s?1以上的加載應(yīng)變率[24]。若進(jìn)一步提升應(yīng)變率，則需要采用高能炸藥爆轟加載[25]或輕氣炮加載[26]，此外高功率脈沖激光及粒子束也可以用于沖擊波加載源，但是該方法的使用范圍極其有限[27]。高能炸藥爆轟是通過引爆平面波發(fā)生器中的高能炸藥，對樣品進(jìn)行加載，是研究材料在高壓下動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的最早的加載手段，可用于模擬軍事目標(biāo)的爆炸防護(hù)與毀傷、武器終端爆炸效應(yīng)、工程爆破與安全、爆炸加工等[28]。根據(jù)需求改變炸藥的用量，從而產(chǎn)生3～80 GPa 的沖擊波壓力，相應(yīng)的應(yīng)變率可達(dá)107s?1，然而該加載方式需要專用的爆炸場地，不利于大范圍推廣[29]。為此，研究者們開始使用高壓氣體炮作為沖擊波發(fā)生裝置，其原理是使用壓縮高壓氣體加速彈丸，彈丸受力產(chǎn)生加速度，在光滑炮管內(nèi)加速運(yùn)動(dòng)并達(dá)到設(shè)定速度，最后以高速射出的方式與事先精確放置的靶樣品高速碰撞[30]，加載速度范圍為30～6000 m/s，沖擊波壓力可達(dá)數(shù)百吉帕，應(yīng)變率可達(dá)106s?1，以此來模擬樣品的高壓高應(yīng)變率環(huán)境，如軍事裝備防護(hù)等[31]。氣體炮加載方式具有加載手段簡單多樣、加載壓力范圍大、加載壓力穩(wěn)定且精確度高等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用。

2 沖擊載荷下增材制造合金材料的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性

2.1 增材制造鈦合金的抗沖擊性能

鈦及鈦合金以其密度小、比強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐熱性能優(yōu)異、生物相容性好、低溫變形性能良好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、軍工兵器和現(xiàn)代工業(yè)等領(lǐng)域[32–33]。激光增材制造鈦合金部件越來越多地應(yīng)用在飛機(jī)的關(guān)鍵部位上，如北京航空航天大學(xué)王華明團(tuán)隊(duì)[34]和西北工業(yè)大學(xué)黃衛(wèi)東團(tuán)隊(duì)[35]采用激光增材制造技術(shù)制造了多種牌號的鈦合金零部件，并初步應(yīng)用在國產(chǎn)大飛機(jī)的關(guān)鍵承力部件上，如中央翼緣條、主起落架支柱、主襟翼滑輪架、翼/身對接框等大型復(fù)雜關(guān)鍵構(gòu)件。為此，本節(jié)將針對增材制造鈦合金在動(dòng)態(tài)加載條件下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能予以敘述。

Biswas 等[36]研究了采用LENS 技術(shù)制造的Ti-6Al-4V 合金的抗沖擊性能，并通過調(diào)整成型工藝參數(shù)獲得了近似0%、10%和20%孔隙率的試樣，研究發(fā)現(xiàn)，在應(yīng)變率為8000 s?1的沖擊載荷下，其抗壓強(qiáng)度呈逐漸降低趨勢，這是由于存在的孔洞在沖擊載荷作用下首先發(fā)生應(yīng)力集中，從而成為斷裂源。但是隨著孔隙率的增大，抗壓強(qiáng)度的下降幅度相對于拉伸強(qiáng)度的下降幅度并不明顯，這是由于金屬材料的抗沖擊性能對孔洞、裂紋的敏感性比拉伸性能小[37]，在沖擊載荷作用下，一些挨得較近的孔洞甚至可能發(fā)生塌縮、合并、閉合等，反而會(huì)提高材料的斷裂韌性。

Liu 等[38]研究了SLM 成型Ti-6Al-4V 合金的抗沖擊性能，發(fā)現(xiàn)與準(zhǔn)靜態(tài)下的性能相比，動(dòng)態(tài)力學(xué)性能有明顯的提高，表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)。對回收試樣進(jìn)行金相觀察，發(fā)現(xiàn)斷裂面附近出現(xiàn)明顯的塑性變形層。這是由于鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)低，高速?zèng)_擊下產(chǎn)生的熱量來不及散失，導(dǎo)致熱軟化效應(yīng)強(qiáng)于應(yīng)變硬化，材料因此發(fā)生熱塑性變形。此外，動(dòng)態(tài)損傷數(shù)值模擬（見圖1）發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力集中帶由中心以雙錐型向兩端面發(fā)展，形成較復(fù)雜的雙錐形變形區(qū)域。在高速?zèng)_擊下，在極短的時(shí)間內(nèi)（沖擊波作用時(shí)間小于70 μs），零件內(nèi)部經(jīng)歷了應(yīng)力集中、應(yīng)力塌陷、裂紋萌生、擴(kuò)展和斷裂等演化過程。

圖1 沖擊載荷（應(yīng)變率2 400 s?1）下SLM 成型Ti-6Al-4V 合金的內(nèi)應(yīng)力演化過程[38]Fig. 1 Evolution of stress in the selective laser melted Ti-6Al-4V alloy tested at strain rate of 2 400 s?1[38]

Mohammadhosseini 等[39]研究了EBM 成型Ti-6Al-4V 合金的抗沖擊性能，發(fā)現(xiàn)在高應(yīng)變率沖擊下材料內(nèi)部產(chǎn)生絕熱剪切帶，導(dǎo)致動(dòng)態(tài)加載條件下的壓縮斷裂應(yīng)變比準(zhǔn)靜態(tài)條件下的還要小。Alaghmandfard等[40–41]研究了不同成型方向上EBM 成型Ti-6Al-4V 合金的抗壓強(qiáng)度，對比發(fā)現(xiàn)兩個(gè)方向的抗壓強(qiáng)度差值不超過100 MPa，表明EBM 成型Ti-6Al-4V 合金在中低應(yīng)變率（約2000 s?1）載荷作用下的各向異性并不明顯。此外，他們還進(jìn)行了多種應(yīng)變率條件下的加載試驗(yàn)，基于獲得的數(shù)據(jù)和Chang-Asaro 硬化方程，建立了EBM 成型Ti-6Al-4V 合金的動(dòng)態(tài)本構(gòu)方程。此模型同樣適用于其他增材制造Ti-6Al-4V 合金的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。

圖2 顯示了沖擊后EBM 成型Ti-6Al-4V 合金的微觀組織，可以看到材料內(nèi)部產(chǎn)生了絕熱剪切帶，帶內(nèi)晶粒發(fā)生嚴(yán)重細(xì)化。增材制造鈦合金的原始組織主要為細(xì)小的針狀馬氏體，在沖擊載荷作用下，剪切帶附近產(chǎn)生剪切變形，針狀馬氏體受剪切力作用發(fā)生扭曲變形。由于傳統(tǒng)加工方法獲得的鈦合金主要是等軸組織，在沖擊載荷下一般只發(fā)生晶粒細(xì)化和滑移，所以相較而言，圖2(c)所示的扭曲組織特征顯得與眾不同，在Li 等[42]、Biswas 等[36]的報(bào)道中也發(fā)現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象。

圖2 增材制造Ti-6Al-4V 合金在沖擊載荷作用下的微觀組織形貌[36,40–42]Fig. 2 Microstructure of additive manufactured Ti-6Al-4V under impacting load[36,40–42]

相較于中、低應(yīng)變率（小于104s?1）的載荷，高應(yīng)變率（大于105s?1）加載條件下增材制造鈦合金的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究很少被報(bào)道。這是因?yàn)樵霾闹圃斓陌l(fā)展歷史較短，學(xué)者們主要關(guān)注其在常規(guī)載荷下的力學(xué)性能，加之高速?zèng)_擊等極端情況下的案例主要發(fā)生在軍事及武器裝備上，一般的實(shí)驗(yàn)室或研究者較少涉及。Brown 等[43]比較了EBM 和SLM 成型Ti-6Al-4V 合金的層裂性能，結(jié)果表明，在較低速度（290 m/s）下兩者均沒有出現(xiàn)層裂破壞，當(dāng)速度提高到350 m/s 時(shí)均出現(xiàn)裂紋，表明Ti-6Al-4V 合金存在顯著的應(yīng)變率敏感性。美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室的Jones 等[44]采用輕氣炮研究了SLM 成型Ti-6Al-4V 鈦合金的層裂性能（見圖3），結(jié)果表明：當(dāng)拉伸載荷方向垂直于成型方向時(shí)，層裂強(qiáng)度只有相同條件下鑄件的60%；當(dāng)加載方向平行于成型方向時(shí)，層裂強(qiáng)度達(dá)到了鑄件的95%，表明在極高應(yīng)變率（大于105s?1）載荷下，增材制造鈦合金具有明顯的各向異性。該結(jié)果與Alaghmandfard 等[40]的結(jié)果截然不同。其原因是增材制造逐層堆積的層間冶金結(jié)合強(qiáng)度相對熔池內(nèi)部較低，在沖擊波作用下此區(qū)域容易發(fā)生孔洞形核，從而發(fā)生破壞。

圖3 (a)加載方向與晶粒方位示意圖[40]，(b)不同成型方向的SLM 成型Ti-6Al-4V 合金沖擊后的形貌[44]Fig. 3 (a) Schematic of the relationship between loading direction and grain orientation[40], (b) the macro morphology of selective laser melted Ti-6Al-4V alloy impacted in different directions[44]

當(dāng)然，并不是說軍事、武器裝備領(lǐng)域就不存在中、低應(yīng)變率加載情況。美國國家航空航天局（NASA）馬歇爾太空飛行中心的Rodriguez 等[45]研究了增材制造鈦合金對應(yīng)變速率的依賴性，應(yīng)變率約為1500 s?1。結(jié)果表明：增材制造鈦合金的變形模式與變形速率密切相關(guān)，在高應(yīng)變率載荷作用下以位錯(cuò)滑移和孿生為主。眾所周知，孿生變形在準(zhǔn)靜態(tài)加載條件下不容易產(chǎn)生，但是在高應(yīng)變率加載條件下，孿生變形確實(shí)是一個(gè)比較重要的變形機(jī)制[46–47]。

此外，為了研究高溫加載下增材制造鈦合金的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，一些學(xué)者在SHPB 上加裝加熱爐，模擬了鈦合金在高溫條件下的抗壓能力。西北工業(yè)大學(xué)的Li 等[42]研究了LENS 成型Ti-6Al-4V 鈦合金在1000 ℃高溫下的抗沖擊性能，在高應(yīng)變率（5000 s?1）加載下LENS 鈦合金的抗壓強(qiáng)度從常溫下的1.6 GPa降低到1000 ℃時(shí)的約0.4 GPa。此外，高溫條件也改變了材料的動(dòng)態(tài)斷裂特性，常溫下LENS 鈦合金具有典型的復(fù)合斷裂特征，而高溫下則表現(xiàn)出韌性斷裂行為特征。上海交通大學(xué)的Ming 等[48]研究了SLM 成型Ti-6Al-4V 鈦合金在高溫下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，結(jié)果表明，當(dāng)應(yīng)變率為104s?1時(shí)，抗壓強(qiáng)度從常溫時(shí)的1.5 GPa 下降到700 ℃時(shí)的0.75 GPa。說明與大部分金屬材料一樣，增材制造鈦合金也具有很強(qiáng)的熱軟化效應(yīng)，其原因在于溫度升高會(huì)降低材料內(nèi)的位錯(cuò)密度，導(dǎo)致對塑性流動(dòng)的抵抗力下降。

寧波大學(xué)3D 打印團(tuán)隊(duì)近期開展了SLM 成型Ti-6Al-4V 鈦合金在高溫下的抗沖擊性能研究，發(fā)現(xiàn)在高溫沖擊下針狀的馬氏體發(fā)生斷裂而形成細(xì)小的等軸晶，如圖4(a)、圖4(b)、圖4(d)和圖4(e)所示。其原因是在高速?zèng)_擊下，剪切區(qū)的塑性變形由位錯(cuò)滑移與孿生切變共同完成，形成了大量孿晶；在變形過程中，由于孿晶的形成，調(diào)整了局部晶體的位向，原來不動(dòng)的位錯(cuò)被啟動(dòng)，形成長條狀的亞晶結(jié)構(gòu)；在外加動(dòng)態(tài)載荷下，運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)與孿晶作用，使孿晶片發(fā)生斷裂，形成細(xì)小等軸晶粒；同時(shí)，剪切帶中心區(qū)域局部形成了等軸、畸變小、位錯(cuò)少的細(xì)小動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒，圖4(c)和圖4(f)捕捉到了長條狀馬氏體受沖擊后破碎的形貌。由于鈦合金具有優(yōu)異的高溫性能（目前鈦合金的最高工作溫度約700 ℃），因此可以應(yīng)用在航空航天中一級葉片或者工作環(huán)境溫度不是特別高的部位。以上研究可為擴(kuò)大增材制造鈦合金的應(yīng)用范圍提供理論支持。

圖4 SLM 成型Ti-6Al-4V 鈦合金的反極圖及晶粒尺寸統(tǒng)計(jì)：(a)和(d)為原始材料，(b)和(e)為沖擊加載后的樣品，(c)和(f)為沖擊加載后樣品的放大圖Fig. 4 Inverse pole figures and grain size of SLM Ti-6Al-4V alloy ((a) and (d): original,(b) and (e): after impacting, (c) and (f): amplified Fig.4(b))

2.2 增材制造鋁合金的抗沖擊性能

基于前沿科學(xué)探索與發(fā)展的角度，《Science》曾刊文指出：現(xiàn)代工業(yè)要求結(jié)構(gòu)材料具有較高的強(qiáng)度、斷裂韌性及剛度，同時(shí)要盡可能減重。在這種情況下，以鈦、鋁為代表的輕質(zhì)高強(qiáng)合金成為各國新材料研發(fā)計(jì)劃中的重點(diǎn)發(fā)展材料之一，也是激光增材制造的重要應(yīng)用材料[49]。近年來，增材制造鋁合金的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能逐漸得到國內(nèi)外研究者的關(guān)注，相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道自2018 年開始增多。

Zaretsky 等[50]研究了SLM 成型和砂型鑄造AlSi10Mg 合金的一維平面層裂強(qiáng)度。結(jié)果表明，SLM 成型材料的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度和拉伸（剝落）強(qiáng)度比鑄態(tài)合金高2 倍和4 倍。此外，隨著拉伸應(yīng)變率的增加，SLM 成型材料的斷裂模式發(fā)生了明顯的變化。當(dāng)應(yīng)變率低于5 × 103s?1時(shí)，主要斷裂模式為塑性斷裂，一旦超過該值，則變成脆性斷裂。同時(shí)，在極高應(yīng)變率載荷作用下，其抗壓強(qiáng)化機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)槁曌羽ば宰枇Γ≒honon viscous drag）控制的位錯(cuò)越障滑移（Dislocation over-barrier glide）。Hadadzadeh 等[51]發(fā)現(xiàn)，雖然激光增材制造的AlSi10Mg 合金在垂直和水平方向分別為柱狀和等軸狀晶粒，但是兩個(gè)方向上的動(dòng)態(tài)壓縮行為區(qū)別并不大。TEM 圖像顯示，變形后兩個(gè)方向的位錯(cuò)密度顯著增大，由小尺寸的位錯(cuò)線逐步演化成致密的位錯(cuò)網(wǎng)格，如圖5 所示。同時(shí)，部分位錯(cuò)通過動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和動(dòng)態(tài)回復(fù)轉(zhuǎn)變?yōu)樾〗蔷Ы?，這是增材制造鋁合金強(qiáng)化的關(guān)鍵。Nurel 等[52]研究了SLM 成型AlSi10Mg 合金的動(dòng)態(tài)壓縮性能，最高應(yīng)變率達(dá)到7900 s?1，研究發(fā)現(xiàn)在1000～8000 s?1的應(yīng)變率范圍內(nèi)，材料具有較強(qiáng)的各向異性，若應(yīng)變率超過此范圍，則各向異性變?nèi)?。其原因可能是在極高速度沖擊下材料內(nèi)部產(chǎn)生較高的絕熱溫升，甚至超過材料的熔點(diǎn)（斷面的熔化形貌可以證明絕熱溫升超過熔點(diǎn)），進(jìn)而發(fā)生劇烈的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和相變，材料的塑性流動(dòng)能力提高，從而克服了不同方向上微觀形貌帶來的差異。

圖5 水平和成型方向的增材制造AlSi10Mg 合金的微觀組織：(a)和(b)為原始鋁合金，(c)和(d)為沖擊加載后的鋁合金[51]Fig. 5 Microstructure of additive manufactured AlSi10Mg at horizon and vertical directions((a) and (b): original, (c) and (d): after impacting)[51]

分析以上文獻(xiàn)可知，在沖擊載荷作用下，鋁合金的強(qiáng)化機(jī)制主要有位錯(cuò)越障滑移、Orowan、Hall-Petch 和位錯(cuò)硬化等，在鋁合金塑性變形階段，這些機(jī)制相互競爭，共同決定了材料的硬化行為，相對而言，材料織構(gòu)所起的作用就不那么顯著。此外，目前的增材制造金屬材料的工藝參數(shù)中，采用的掃描策略是層間正交層錯(cuò)方法，材料微觀織構(gòu)的各向異性明顯減弱，這是增材制造鋁合金的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)的各向異性不顯著的重要原因。

Ponnusam 等[53–54]研究了SLM 成型AlSi12 合金在不同溫度下的動(dòng)態(tài)壓縮性能，結(jié)果表明：在室溫條件下，準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)加載下的流變應(yīng)力幾乎相同，說明鋁合金的率敏感性不強(qiáng)；但是在高溫（200 和400 ℃）條件下，雖然兩種情況的屈服強(qiáng)度和極限抗壓強(qiáng)度均降低了約50%，但是動(dòng)態(tài)加載的流變應(yīng)力明顯比準(zhǔn)靜態(tài)強(qiáng)，說明鋁合金同樣也存在較強(qiáng)的溫度軟化效應(yīng)。分析認(rèn)為，在動(dòng)態(tài)加載條件下，材料發(fā)生了顯著的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和動(dòng)態(tài)回復(fù)，從而在一定程度上彌補(bǔ)了熱軟化對強(qiáng)度的削弱效果。Asgari 等[55]研究了SLM 成型AlSi10Mg_200C 在動(dòng)態(tài)沖擊載荷作用下的微觀組織和織構(gòu)的演變規(guī)律，取向分布函數(shù)（Orientation distribution function, ODF）數(shù)據(jù)表明，高應(yīng)變率變形對垂直方向上的合金織構(gòu)成分沒有影響，但是水平方向上產(chǎn)生了大量Goss 和Cube 組分。Baxter 等[56]研究了SLM 成型AlSi10Mg_200C 合金的抗沖擊性能，結(jié)果表明，在較低的應(yīng)變率下，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與準(zhǔn)靜態(tài)加載結(jié)果相似，而在較高的應(yīng)變率下應(yīng)力-應(yīng)變曲線有多個(gè)峰值。藉此建立了耦合Chang-Asaro 硬化函數(shù)的動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系（應(yīng)變率范圍為180～3200 s?1）。由于該函數(shù)具有相同的雙曲正切和指數(shù)衰減功能，所以能夠準(zhǔn)確預(yù)測塑性變形階段的衰減特性。Lauren?on 等[57–58]研究了SLM 成型AlSi10Mg 合金在激光沖擊載荷下的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)特性。結(jié)果顯示，在極高應(yīng)變率載荷作用下，SLM 成型件主要沿著lack-melted 熔道邊界開裂剝落，形成了“池間”和“池內(nèi)”兩種斷裂模式。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，在微觀尺度上，因?yàn)閮烧叩拈_裂面都包括形核、生長和聚結(jié)等特征的凹窩，所以這兩種模式都屬于韌性斷裂行為（見圖6）。

圖6 激光沖擊下SLM 成型AlSi10Mg 合金斷面形貌[57]Fig. 6 Morphology of the SLMed AlSi10Mg alloy after impacting load[57]

長期以來，人們認(rèn)為鋁及其合金等高層錯(cuò)能金屬在熱塑性變形過程中主要發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)，極少發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，也難以通過金相顯微鏡觀察到細(xì)小的亞晶結(jié)構(gòu)。但是，對比鈦合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線發(fā)現(xiàn)，在沖擊載荷作用下，增材制造鋁合金的塑性段容易產(chǎn)生雙峰現(xiàn)象，說明在塑性變形階段應(yīng)變硬化和動(dòng)態(tài)軟化存在激烈的競爭[55,59]。其深層原因是增材制造鋁合金的晶粒主要是等軸晶，由于大變形，晶粒剪切滑移產(chǎn)生塑性變形，等軸晶粒在剪切應(yīng)力下沿剪切方向拉長變形并產(chǎn)生大量小角晶界（即亞晶，如圖7 所示），隨著塑性變形進(jìn)一步發(fā)展而發(fā)展成大角晶界，并形成再結(jié)晶晶粒。此外，增材制造鋁合金的晶界會(huì)形成析出物，這些析出相成為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的核心，促進(jìn)了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生。

2.3 增材制造不銹鋼合金的抗沖擊性能

不銹鋼具有良好的耐腐蝕以及抗輻射性能，在海洋工程、核工業(yè)、化工等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。根據(jù)組織狀態(tài)，不銹鋼可分為馬氏體鋼、鐵素體鋼、奧氏體鋼、奧氏體-鐵素體（雙相）不銹鋼、沉淀硬化不銹鋼等[60–61]。不銹鋼具有良好的可焊性，是最早被用于增材制造的金屬材料之一，也是目前用量最大的增材制造金屬材料。

圖7 沖擊載荷作用下增材制造AA 2624-T351 合金的反極圖（IPF）：(a) 沖擊前試樣，(b) 沖擊后試樣（注意沖擊后的試樣中產(chǎn)生了大量小角晶界）[59]Fig. 7 Inverse pole figures of AA 2624-T351 aluminum alloy: (a) original, (b) after impacting,noting that large amount of LAGBs formed after impacting[59]

Wise 等[62]研究了SLM 和鑄造304L 不銹鋼的層裂性能，得到前者沿掃描方向和成型方向的屈服強(qiáng)度分別為0.43～0.45 GPa 和0.40～0.46 GPa，而鑄態(tài)304L 不銹鋼則只有0.30～0.36 GPa，說明增材制造不銹鋼的強(qiáng)度明顯高于鑄態(tài)。這主要?dú)w功于顯微組織（晶粒尺寸和形貌）、殘余應(yīng)力以及在奧氏體中存在的細(xì)小鐵素體顆粒。一般而言，奧氏體不銹鋼中主要為奧氏體，夾雜少量的鐵素體，而少量的鐵素體對不銹鋼的宏觀性能將產(chǎn)生極大的影響。美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)[63]采用原位中子衍射法定量分析了增材制造304L 不銹鋼（奧氏體占主體）中鐵素體含量對抗沖擊性能的影響規(guī)律。如圖8 所示，在沖擊載荷作用下，奧氏體和鐵素體中的應(yīng)力和應(yīng)變分布各不相同。分析認(rèn)為，沖擊載荷作用下鐵素體相通過塑性變形調(diào)節(jié)材料內(nèi)部的誘導(dǎo)應(yīng)力，這是調(diào)節(jié)鐵素體相殘余應(yīng)力的主要機(jī)制。Song 等[64]測試了增材制造304L 不銹鋼的動(dòng)態(tài)壓縮性能，結(jié)果表明：在動(dòng)態(tài)加載條件下增材制造304L 不銹鋼的屈服應(yīng)力和流變應(yīng)力均比準(zhǔn)靜態(tài)加載條件下高30%以上；并且相較于鑄態(tài)，增材制造304L 不銹鋼具有很高的應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)，說明增材制造304L 不銹鋼具有優(yōu)異的動(dòng)態(tài)承載能力。

圖8 沖擊載荷下增材制造304L 不銹鋼中奧氏體和鐵素體中的應(yīng)力(a)和應(yīng)變(b)分布以及鐵素體含量（體積分?jǐn)?shù)）對應(yīng)力的影響(c)[63]Fig. 8 Distribution of stress (a) and strain (b) in austenite and ferrite phases in additive manufactured 304L stainless steel under impact loading, and the effect of ferrite content (volume fraction) on stress (c)[63]

Wang 等[65–66]、史同亞等[67]研究了SLM 成型GP1 不銹鋼的層裂性能，發(fā)現(xiàn)GP1 不銹鋼的層裂強(qiáng)度隨著飛片撞擊速度的增大而略微減小。通過計(jì)算得到了GP1 不銹鋼與熱處理GP1 不銹鋼的層裂強(qiáng)度，對比發(fā)現(xiàn)熱處理GP1 不銹鋼的層裂強(qiáng)度略微大些，說明熱處理使GP1 不銹鋼抵抗層裂損傷的能力增強(qiáng)。分析斷面金相與斷口顯微形貌得出，GP1 不銹鋼的層裂損傷成核于激光熔池邊界線的交匯處，斷口韌窩形貌明顯區(qū)別于單向拉伸斷口，而熱處理后試件的斷裂模式以及損傷演化與傳統(tǒng)加工試件的損傷模式相似。圖9顯示了SLM 成型GP1 不銹鋼在不同沖擊速度下的微觀組織?？梢园l(fā)現(xiàn)，沖擊后合金的晶粒組織主要為拉長晶粒和少量的等軸晶。沖擊速度為250 和270 m/s 時(shí)，對應(yīng)的平均晶粒尺寸分別為13 和11 μm，大角度晶界分?jǐn)?shù)分別為23%和32%，因此沖擊速度有利于細(xì)化晶粒組織和增加大角度晶界分?jǐn)?shù)。另外，隨著沖擊速度的增大，馬氏體含量有所增加。Clausen 等[68]發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過輕氣炮加載后，增材制造GP1 不銹鋼發(fā)生了“奧氏體-馬氏體”相變，且相變發(fā)生在變形早期。熱處理后樣品的相變程度較原始樣品的相變程度高，這是因?yàn)闊崽幚韺W氏體中原子間隙的氮和氧排除，從而有利于相變發(fā)生，這也是極少的關(guān)于增材制造合金材料的沖擊相變的報(bào)道。

圖9 不同撞擊速度下SLM 成型GP1 不銹鋼的反極圖及相組織（紅色代表馬氏體，黃色代表奧氏體）[65]Fig. 9 Inverse pole figures and phase images of SLM GP1 stainless steel after impacting at different velocities(The red area refers to martensite phase, and yellow represents austenite phase.)[65]

Gray 等[69]采用再結(jié)晶退火對增材制造316L 不銹鋼進(jìn)行處理，結(jié)果表明，原始態(tài)增材制造不銹鋼的層裂強(qiáng)度較鑄態(tài)高10%，再結(jié)晶處理的不銹鋼的層裂性能變化不大，但是其破壞失效方式有明顯變化。原始態(tài)不銹鋼主要沿著熔池邊界開裂，而再結(jié)晶態(tài)試樣則穿晶開裂。增材制造材料的孔隙是影響其動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的重要因素。Carlton 等[70]采用同步輻射顯微斷層攝影術(shù)觀察了在動(dòng)態(tài)載荷下增材制造316L 不銹鋼中的孔隙對斷裂行為的影響。Riza 等[71]設(shè)計(jì)并采用LENS 制備了多組含孔隙試樣，結(jié)果表明，其動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度較致密材料有所削弱（下降幅度不大），但是斷裂韌性增強(qiáng)，并且在沖擊過程中孔隙通過潰縮的方式將機(jī)械能量吸收，吸能能力得到極大加強(qiáng)。Yang 等[72]采用SLM 制備了316L不銹鋼薄壁圓管，并在管內(nèi)設(shè)置了環(huán)向矩形溝槽缺陷，研究了缺陷對結(jié)構(gòu)抗沖擊性能的影響，結(jié)果表明：鋼管的破碎過程分為屈曲階段和劈裂階段，內(nèi)槽對初始屈曲位置和斷裂位置的控制起到重要作用。

2.4 增材制造鎳基合金的抗沖擊性能

鎳基合金具有較高的室溫及高溫強(qiáng)度，良好的抗氧化性、蠕變和抗疲勞性，以及較好的組織穩(wěn)定性，是航空和航天發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件的關(guān)鍵材料，已成為一個(gè)國家材料科學(xué)發(fā)展水平的重要標(biāo)志[73–74]。隨著增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，鎳基合金的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為得到了越來越多的關(guān)注。

Yuan 等[75–77]研究了LMD 成型鎳基高溫合金GH4169 的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度，結(jié)果表明：LMD 試樣的抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度均表現(xiàn)出顯著的應(yīng)變率敏感性；不同的加載方向下，微結(jié)構(gòu)的各向異性導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度有所不同；LMD 試樣的抗壓強(qiáng)度低于鍛造試樣。此外他們發(fā)現(xiàn)在LMD 過程中，較高的激光能量輸入密度會(huì)在合金中產(chǎn)生更大的初生枝晶間距，而合金的塑性流變應(yīng)力隨初生枝晶間距的增大而近似線性地減小，且裂紋的擴(kuò)展路徑也與晶枝尺寸有關(guān)。在高應(yīng)變沖擊載荷下，合金發(fā)生應(yīng)變時(shí)效效應(yīng)，使得動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線上產(chǎn)生額外的波動(dòng)。此外，研究表明，采用熱處理來調(diào)控晶枝尺寸可以優(yōu)化LMD 成型GH4169 合金的抗沖擊性能。大多數(shù)金屬材料都具有應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)，但是在較低的應(yīng)變率下，材料強(qiáng)度的增長幅度較小，當(dāng)應(yīng)變率達(dá)到一定程度時(shí)（如超過1000 s?1），材料強(qiáng)度隨著應(yīng)變率的增大而急劇增大。圖10 顯示了鎳基合金在不同應(yīng)變率下的抗壓強(qiáng)度，證實(shí)了強(qiáng)度與應(yīng)變率之間的關(guān)系，相似的變化趨勢也出現(xiàn)在增材制造鈦合金材料中[38,42]。

Babamiri 等[78]對激光增材制造的Inconel 718 合金進(jìn)行去應(yīng)力、熱等靜壓和固溶時(shí)效等熱處理時(shí)發(fā)現(xiàn)，3 種熱處理均能減小孔隙率，但卻改變了析出相的形態(tài)和分布。SHPB 測試結(jié)果表明，微觀組織對增材制造Inconel 718 合金抗沖擊性能的影響比孔隙率的影響更顯著。其原因也是金屬材料的抗壓性能對孔隙沒有那么敏感，而由熱處理導(dǎo)致的析出強(qiáng)化卻極大地增強(qiáng)了合金強(qiáng)度，同時(shí)微觀組織的變化也改變了材料在沖擊載荷下的變形失效行為。

圖10 增材制造鎳基合金在不同應(yīng)變率下的抗壓強(qiáng)度[77]Fig. 10 Dynamic compressive strength of additive manufactured nickel-based alloy at different strain rates[77]

3 沖擊載荷作用下增材制造合金的損傷失效及組織演變機(jī)理

絕熱剪切和層裂是金屬材料在沖擊加載下的兩種典型破壞形式[79]。一般認(rèn)為絕熱剪切現(xiàn)象在宏觀上表現(xiàn)為材料的動(dòng)態(tài)本構(gòu)失穩(wěn)，即熱軟化大于應(yīng)變硬化，絕熱剪切帶的出現(xiàn)是斷裂的先兆，一旦發(fā)生，將出現(xiàn)低韌性和低延性斷裂，甚至發(fā)生突發(fā)性斷裂事故[80–81]。根據(jù)絕熱剪切帶內(nèi)的微觀組織特征，可將剪切帶分為形變帶和相變帶。形變帶中只存在變形的晶粒，相變帶中的晶粒具有與基體材料不同的相結(jié)構(gòu)。在目前調(diào)研的文獻(xiàn)中，中、低應(yīng)變率加載條件下的增材制造合金材料主要產(chǎn)生形變帶，在高應(yīng)變率加載條件下的相變則只有極少的報(bào)道[68]。瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)聯(lián)合美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)[82]采用中子衍射暗成像（DFI）法測量了增材制造304L 不銹鋼在動(dòng)態(tài)加載下的相變程度。圖11(a)和圖11(b)顯示了通過改變衍射波長和樣品到探測器的距離獲得的不同加載方向的暗場響應(yīng)DFI 強(qiáng)度，根據(jù)加載前、后的DFI 強(qiáng)度，可以計(jì)算出相變程度。圖11(c)為加載后通過EBSD 技術(shù)測量的相分布，可以發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)加載后部分奧氏體轉(zhuǎn)化為馬氏體。文獻(xiàn)[67–68]中得出了相似的結(jié)論。需要注意的是，沖擊相變是材料在應(yīng)力作用下的瞬態(tài)塑性流動(dòng)現(xiàn)象，是由于相變時(shí)比容或形狀變化引起相間強(qiáng)烈的內(nèi)應(yīng)力場，并使較弱相或雙方產(chǎn)生塑性變形而造成的[83]。其對材料的影響有二：一是對已有的塑性流動(dòng)起增強(qiáng)作用，二是可能觸發(fā)材料內(nèi)部的塑性機(jī)制。不論是哪種，要想啟動(dòng)相變，都需要有足夠大的塑性變形，因而一般只有在超高應(yīng)變率加載條件下才能觀察到相變。

延性金屬材料在高應(yīng)變率載荷作用下發(fā)生塑性變形，隨著塑性變形的增大，材料內(nèi)部溫度逐步上升，當(dāng)溫升等軟化效果超過應(yīng)變和應(yīng)變率等硬化效果時(shí)，材料屈服強(qiáng)度開始下降，變形失穩(wěn)，形成絕熱剪切帶。因此從本質(zhì)上看，絕熱剪切帶的形成是一個(gè)失穩(wěn)問題，擾動(dòng)在其中起到關(guān)鍵的作用[84]。韌性金屬中存在大量的缺陷，如位錯(cuò)、晶界、微孔洞（前兩者難以避免，后者可以通過一定的方法避免）等，這些缺陷導(dǎo)致材料內(nèi)部的屈服應(yīng)力呈非均勻分布，這些非均勻性正是絕熱剪切帶形成的天然擾動(dòng)源[85–86]。在沖擊載荷作用下，孔洞的成核、長大和聚合是延性材料斷裂的3 個(gè)主要過程。一般認(rèn)為，孔洞的成核主要是由第二相粒子斷裂或粒子與基體界面脫膠形成的。孔洞一旦成核，它們將通過塑性變形長大，接著孔洞靠近、連接和聚合，從而導(dǎo)致材料斷裂。唐長國等[87]認(rèn)為高應(yīng)變率下發(fā)生層裂的主要原因是晶界微孔洞形核，產(chǎn)生應(yīng)力集中，隨后微孔洞進(jìn)一步擴(kuò)展并聚集，致使晶界的結(jié)合能力下降，最終導(dǎo)致材料層裂。桂毓林等[88]認(rèn)為金屬材料在較高應(yīng)變率下是以微孔匯聚的韌性斷裂為主導(dǎo)機(jī)制，而在中低應(yīng)變率下則是以絕熱剪切帶變形與破壞為主導(dǎo)機(jī)制。祁美蘭等[89]則認(rèn)為，層裂現(xiàn)象主要是少量穿晶斷裂和沿晶界產(chǎn)生微孔洞及微裂紋并最終匯合形成大裂紋的混合斷裂機(jī)制。由此可以發(fā)現(xiàn)，晶界處的微孔洞和微裂紋是導(dǎo)致金屬材料發(fā)生絕熱剪切的重要因素。

圖11 通過不同的波長組合和樣品到探測器的距離獲得原始樣品(a)和變形樣品(b)的暗場響應(yīng)，以及加載后的相分布(c)（綠色代表馬氏體，紅色代表奧氏體）[82]Fig. 11 Measured data (points) and theoretical models (lines) assuming a random two phase medium model for the as-built (a) and deformed (b) samples, (c) phase image after impacting (Red represents austenitic phase, and green represents martensitic phase.)[82]

激光增材制造過程中需要采用惰性氣體（高純氮?dú)饣驓鍤獾龋┓乐菇饘俨牧显诟邷叵卵趸?，致使保護(hù)氣體容易混入材料中，另外粉末間隙中也含有一定的氣體。這些氣體在熔化過程中來不及逸出，當(dāng)金屬粉末熔化并凝固后，就殘留在熔池內(nèi)而形成氣孔。也就是說，增材制造金屬材料中不可避免地存在著微孔洞（一般激光增材制造金屬材料的致密度最高只有99%左右，難以達(dá)到100%）。如圖12 所示，Alaghmandfard 等[41]發(fā)現(xiàn)，高速?zèng)_擊下EBM 成型Ti-6Al-4V 合金的剪切帶主要沿原有孔洞擴(kuò)展，說明孔洞對增材制造材料的破壞失效行為產(chǎn)生重要影響。Fadida 等[90]采用SLM 成型工藝在SHPB 沖擊試樣中預(yù)置多個(gè)孔洞，研究了孔洞對SLM 成型鈦合金抗沖擊性能的影響，發(fā)現(xiàn)小尺寸的預(yù)置孔洞對抗沖擊強(qiáng)度的影響并不大，但是斷面的SEM 表明，試樣主要沿著孔洞位置開裂，這些微孔洞實(shí)際上承擔(dān)著開裂微孔洞的角色。

另一方面，增材制造是基于添加材料的方式加工，通過“逐點(diǎn)-逐層堆積”的方式形成實(shí)體。一方面，快熱、快冷的加工過程導(dǎo)致極度細(xì)小的晶粒，可以在一定程度上提高材料的強(qiáng)度；另一方面，細(xì)小的晶粒意味著更多的晶界，密集的晶界往往又是微孔洞、微裂紋等缺陷產(chǎn)生的理想場所。此外，熔道搭接和層間搭接部分也是微孔洞、裂紋、元素偏析等產(chǎn)生的主要區(qū)域[91]。在準(zhǔn)靜態(tài)加載條件下，晶界和熔道搭接區(qū)域的影響并不明顯，然而一旦經(jīng)受沖擊載荷作用，這些區(qū)域往往成為微裂紋形成和擴(kuò)展的場所，從而決定了整個(gè)零件的抗壓強(qiáng)度。如Jones 等[44]發(fā)現(xiàn)輕氣炮加載下SLM 成型Ti-6Al-4V 鈦合金的層裂主要沿著層間冶金結(jié)合界面擴(kuò)展，Lauren?on 等[57–58]發(fā)現(xiàn)SLM 成型AlSi10Mg 合金在極高應(yīng)變率載荷作用下形成“池間”和“池內(nèi)”兩種斷裂模式。如圖13 所示，Yuan 等[77]在研究LENS 成型Inconel 718合金的抗沖擊性能時(shí)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)沖擊方向垂直成型方向時(shí)，開裂裂紋主要沿著晶界方向擴(kuò)展，導(dǎo)致材料的抗沖擊強(qiáng)度偏低；當(dāng)沖擊方向沿著成型方向時(shí)，裂紋的擴(kuò)展路徑無規(guī)律，這些現(xiàn)象均說明了增材制造金屬材料在沖擊載荷作用下的獨(dú)特動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

圖12 沖擊載荷下EBM 成型Ti-6Al-4V 合金中的微孔洞形貌：(a) 剪切帶中的微孔洞，(b) 斷面中的微孔洞，(c) 微孔洞形成機(jī)理[41]Fig. 12 Morphology of micropore in EBM Ti-6Al-4V alloy under impact loading: (a) micropore ASB,(b) micropore in fracture surface, (c) formation mechanism of micropore[41]

圖13 以不同方向沖擊加載時(shí)增材制造鎳基合金中的裂紋擴(kuò)展路徑[77]Fig. 13 Profile diagrams and fracture behaviors of the additive manufactured nickel-based alloy after impacting in different directions[77]

4 總結(jié)和展望

作為近20 年來快速發(fā)展的先進(jìn)制造技術(shù)，增材制造材料的疲勞、蠕變、耐腐耐蝕以及承載性能等問題受到國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。特別是近年來各國對武器裝備防護(hù)性、太空飛行器安全性（探測器著陸、太空垃圾對飛行器的安全威脅）等問題的重視程度越來越高，增材制造材料和產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)承載能力顯得越來越重要，相關(guān)問題如高速?zèng)_擊等極端情況下的材料動(dòng)態(tài)響應(yīng)、微觀組織響應(yīng)、破壞失效機(jī)理等也不斷被深入研究，其中包括增材制造各種工程材料，如鈦合金、鋁合金等輕質(zhì)高強(qiáng)材料，以及承載耐熱材料鎳基高溫合金等。與此同時(shí)，這些問題的研究反過來也促進(jìn)了增材制造技術(shù)及其產(chǎn)品在這些領(lǐng)域的應(yīng)用。

雖然近年來增材制造材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究取得了較大進(jìn)展，但是仍然存在很多難題和挑戰(zhàn)亟待解決，可歸納為以下3 個(gè)方面。

(1) 增材制造材料的微觀組織與傳統(tǒng)方法制備的微觀組織有很大差異，在沖擊載荷下的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)也明顯不同，基于傳統(tǒng)材料的物理型和唯象型模型的動(dòng)態(tài)變形機(jī)制和失效破壞準(zhǔn)則不適用于增材制造材料，因此需要建立針對增材制造材料的動(dòng)態(tài)變形機(jī)制和失效破壞準(zhǔn)則。

(2) 揭示材料的動(dòng)態(tài)變形機(jī)制是實(shí)現(xiàn)增材制造材料抗沖擊性能調(diào)控的基礎(chǔ)，但是受觀測技術(shù)的制約，難以實(shí)時(shí)觀察微觀特征的變化，如組織變形、相變、晶粒細(xì)化、剪切帶萌生和擴(kuò)展等。眾所周知，在沖擊載荷作用下，材料的宏觀力學(xué)性能與其微觀組織的變化密切相關(guān)，因此憑借試驗(yàn)方法難以揭示材料的宏/微觀響應(yīng)。用數(shù)值模擬方法（如晶體塑性有限元法、相場法等）揭示增材制造材料的動(dòng)態(tài)宏/微觀變形機(jī)制是解決這一難題的重要手段，但是目前缺乏增材制造材料的宏/微觀動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型，無法準(zhǔn)確建立材料在沖擊載荷條件下的數(shù)值模型。

(3) 傳統(tǒng)材料的性能單一，強(qiáng)韌性矛盾、輕質(zhì)高強(qiáng)矛盾、加工性和使用性矛盾等難以調(diào)和，有必要基于增材制造技術(shù)的柔性加工特點(diǎn)，開展動(dòng)態(tài)承載性能驅(qū)動(dòng)的“材料-工藝-性能”一體化材料主動(dòng)設(shè)計(jì)，在現(xiàn)有材料體系上開發(fā)出新的功能材料，滿足航空航天、武器裝備等領(lǐng)域苛刻的性能需求。