增材制造技術(shù)是一種快速成型方法,近十年得到快速的發(fā)展,其中激光粉末床熔融是其中應(yīng)用較廣的一種增材制造技術(shù),激光粉末床熔融成型的零件具有致密度高、機械性能好等優(yōu)點[1-4]。TC4鈦合金是一種性能優(yōu)異、高比強度和屈強比、耐腐蝕性好的鈦合金,已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在航空航天、生物醫(yī)療等領(lǐng)域[5-10]。由于激光粉末床熔融成型過程是快速加熱冷卻的過程,與傳統(tǒng)的鑄造、粉末冶金等方法對比,激光粉末床熔融成型的組織在尺度、形態(tài)和分布等方面都有所不同,其后熱處理與傳統(tǒng)方法制備的也有所區(qū)別,因此有必要對TC4鈦合金打印件進行熱處理從而優(yōu)化其組織結(jié)構(gòu),提升TC4鈦合金性能。
目前,國內(nèi)外針對TC4打印件的熱處理主要有退火、固溶+時效、熱循環(huán)等工藝。王曉亭等[11]研究了不同時效溫度對TC4鈦合金組織性能的影響,發(fā)現(xiàn)經(jīng)1020℃/1h固溶處理后,隨著時效溫度升高,硬度先增大后減小時效處理為650℃/3h時硬度最高,達到435.7HV。Wang等[12]研究了不同退火及固溶時效工藝下的電弧增材制造TC4鈦合金的組織及性能,發(fā)現(xiàn)在930℃/1h固溶+800℃/2h時效工藝下的TC4鈦合金性能最好。蔡雨升等[13]研究了退火工藝對激光粉末床熔融成型TC4鈦合金組性能的影響,發(fā)現(xiàn)800℃/2h退火工藝獲得的力學(xué)性能較好,其抗拉強度(UTS)為958MPa,屈服強度(YS)為818MPa,斷后伸長率(El)為17.33%。肖振楠等[14]通過激光粉末床熔融制備了TC4鈦合金,研究了退火、固溶、固溶時效等工藝下TC4鈦合金的組織性能,結(jié)果表明840℃/2h退火工藝獲得性能較佳的TC4鈦合金。Zhang等[15]研究了不同退火溫度及冷卻方式(爐冷和空冷)對激光粉末床熔融成型TC4鈦合金的組織性能影響,結(jié)果表明,800℃/2h(爐冷)處理后α片層長大,β顆粒減少,其斷口表面為韌性斷裂。Fan等[16]利用激光粉末床熔融技術(shù)制備出TC4鈦合金,研究了不同工藝及熱處理對TC4鈦合金組織性能的影響,通過950℃/1h+540℃/4h固溶時效處理獲得綜合力學(xué)性能優(yōu)異的TC4鈦合金,其抗拉強度為1206MPa,屈服強度為1122MPa,斷后伸長率為13.42%。
眾多研究中未考慮打印件成型過程中不斷熱循環(huán)的熱處理過程,因此可以考慮對激光粉末床熔融成型TC4鈦合金進行直接時效處理,進而探究不同的時效工藝對打印件的組織及性能的影響。本文研究了不同時效熱處理的時間對激光粉末床熔融成型TC4鈦合金組織和性能的影響,得出適合激光粉末床熔融成型TC4鈦合金的直接時效熱處理工藝。
1、材料與方法
所用的TC4鈦合金球形粉末形貌如圖1所示,粉末粒徑為15~53μm,成分見表1。
首先將粉末在干燥箱中烘干,利用ConceptLaserM2設(shè)備進行激光粉末床熔融成型,采用激光功率為340W,掃描速度為1700mm/s,掃描間距為0.1mm,光斑尺寸為0.13mm,層厚為0.03mm,由等式(1)和(2)可計算出線能量密度和體能量密度[17]分別為0.2J/mm、66.67J/mm3。
式中:EL為線能量密度;EV為體能量密度;P為激光功率;v為掃描速度;h為掃描間距;t是層厚。
圖1TC4鈦合金粉末
將制備好的拉伸試樣在UTM5015電子萬能試驗機上進行拉伸試驗,應(yīng)變率為0.001s-1,每組熱處理樣測試5個取平均值。將光學(xué)試樣進行研磨拋光,配制HF∶HNO3∶H2O=1∶3∶16的腐蝕液對試樣腐蝕30s,腐蝕后的試樣通過FEIQuanta250F場發(fā)射環(huán)境掃描電鏡和FEITalosF200X透射電鏡觀察顯微形貌。TC4鈦合金致密度通過阿基米德排水法計算得到,顯微硬度用HVS-1000顯微硬度計對每個試樣打5點進行計算得到。
2、結(jié)果與討論
2.1相對密度
用阿基米德法測試打印件的相對密度,計算公式見式(3),通過式(4)計算相對密度見表2。
式中:ρ為試樣密度;d1為材料理論密度(TC4鈦合金理論密度為4.51g/cm3);ρw為水的密度;ρ’為相對密度;m1為空氣中的質(zhì)量;m2為水中質(zhì)量。
由表2可知,通過激光粉末床熔融技術(shù)制備的TC4鈦合金具有較好的致密度,并且熱處理對其致密性影響不大。
2.2顯微組織
圖2是不同時效時間下TC4鈦合金的掃描電鏡圖,低倍組織圖中為交錯排列的針狀馬氏體,高倍組織圖中的納米級白色顆粒為β相析出[18-20]。
圖2不同時效時間下顯微組織
Fig.2Microstructuresunderdifferentagingtime
從圖2(a)到(i)可以看出,隨著時效時間的增加,交錯排列的針狀馬氏體變得粗大,并且有白色顆粒析出。從圖2(b)到(j)可以看出,打印態(tài)中也有少量β相析出,經(jīng)過時效處理后,
β相析出增多,從而起到第二相強化作用,所以時效處理后強度和硬度有明顯提高;然而隨著時效時間的增加,β相逐漸粗大,因此強度和硬度有明顯下降。
2.3力學(xué)性能
將拉伸試樣和硬度試樣分別進行室溫拉伸和顯微硬度測試,不同時效處理工藝下的力學(xué)性能結(jié)果如表3所示。由表可知,550℃/6h時效處理最優(yōu),其綜合力學(xué)性能優(yōu)異,抗拉強度為1204.6MPa,屈服強度為866MPa,斷后伸長率為11.3%,顯微硬度為394.4HV。繼續(xù)延遲時效時間,強度、硬度下降,塑性基本不變。
打印態(tài)及550℃/6h時效處理態(tài)的應(yīng)力應(yīng)變曲線及斷口形貌如圖3、圖4所示,從圖3應(yīng)力應(yīng)變曲線可以明顯看出,550℃/6h時效處理后相比于打印態(tài)抗拉強度和塑性都有所提高。
圖3打印態(tài)及時效態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線
Fig.3Stress-straincurvesofprintedstateandagedstate
圖4斷口形貌表明,兩種狀態(tài)的斷口形貌中都呈現(xiàn)出解理面和韌窩共存,兩者都存在韌性斷裂和脆性斷裂的特征,因此屬于混合斷裂。從斷口中可以分析出兩種狀態(tài)下的塑性相差不大,與與拉伸結(jié)果一致。
圖4打印態(tài)及時效態(tài)斷口形貌
Fig.4Printstateandagingstatefracturemorphology
2.4強化機制
2.4.1細晶強化
細晶強化是一種不犧牲塑性的情況下而提高材料強度的強化機制,由Hall-Petch式(5)可知晶粒越細,屈服強度越大。
式中:σs為屈服強度;σ0和K均為常數(shù);d是晶粒的平均直徑。
因此TC4鈦合金時效時間為6h后,隨著時間增加,析出相越大,強度下降,當(dāng)550℃/6h時效處理時屬于最優(yōu)工藝,從而綜合力學(xué)性能較好。
2.4.2第二相強化
第二相強化是指第二相以細小彌散的微粒均勻分布于基體相中時,而產(chǎn)生的強化作用。第二相強化是因為析出相阻礙位錯運動,從而提高其強度。
由于激光粉末床熔融是一種快速加熱、冷卻技術(shù),其冷卻速度為104~105K/s[21-22],所以得到的TC4鈦合金是一種過飽和α固溶體,經(jīng)時效處理后分解為α+β相。如圖5(b)所示,組織中有β相存在,因此時效處理能提高其強度。
圖5550℃/6h時效處理TEM圖
Fig.5TEMimagesof550℃/6hagingtreatment
2.4.3位錯強化
位錯強化也是金屬材料中的強化機制,位錯密度越高,位錯運動越困難,抵抗塑性變形的能力越大,因此材料表現(xiàn)出高強度。由于激光粉末床熔融制備的TC4鈦合金具有高密度位錯,低溫時效處理后位錯仍保留下,如圖5(a)所示,α相上有許多位錯,因此打印態(tài)及熱處理態(tài)都具有高強度。
另外,位錯切過納米級析出相時,能同時提高強塑性。
2.4.4塑性變形機制
由圖5(c)可知,熱處理后有大量孿晶生成,材料的塑性變形機制為滑移和孿生,當(dāng)滑移和孿生交替發(fā)生時,更有利于變形。打印態(tài)的TC4鈦合金主要是通過滑移來變形的,而α相屬于密排六方結(jié)構(gòu),只有3個滑移系,因此打印態(tài)的TC4鈦合金塑性較差;經(jīng)過熱處理后,由于孿生的存在,更有利于變形,所以TC4鈦合金的塑性有所提高。
3、結(jié)論
(1)激光粉末床熔融技術(shù)制備了致密的TC4鈦合金,其致密度達到98.2%,熱處理對致密性影響不大。
(2)激光粉末床熔融技術(shù)制備TC4鈦合金經(jīng)過550℃/6h直接時效處理獲得優(yōu)異的力學(xué)性能,其抗拉強度為1204.6MPa,屈服強度為866.0MPa,斷后伸長率為11.3%,硬度為394.4HV。
(3)由于存在大量位錯導(dǎo)致激光粉末床熔融技術(shù)制備TC4鈦合金具有高強度,而熱處理后由于β相析出以及孿晶的生成從而獲得綜合力學(xué)性能較好的TC4鈦合金,并且隨著時效時間增加,析出相越大,導(dǎo)致強度下降。
參考文獻:
[1]武亮亮,焦?jié)奢x,于慧臣.激光選區(qū)熔化TC4合金小裂紋擴展行為[J].材料工程,2023,51(6):83.
[2]李杜,周朝輝,嚴雷鳴,等.Al-Mg-Li合金選區(qū)激光熔化成形及熱處理工藝[J].金屬功能材料,2023,30(2):40.
[3]亢寧寧,陳文革,楊鑫,等.選區(qū)激光熔化制備蜂窩狀多孔鈦及表征[J].金屬功能材料,2020,27(4):47.
[4]PARRYL,ASHCROFTIA,WILDMANRD.Understandingtheeffectoflaserscanstrategyonresidualstressinselectivela-sermeltingthroughthermo-mechanicalsimulation[J].AdditiveManufacturing,2016,12:1.
[5]李長富,鄭鑒深,周思雨.CMT電弧增材制造TC4鈦合金的顯微組織與力學(xué)性能[J].中國有色金屬學(xué)報,2022,32(9):2609.
[6]陳廷益,李欣明,呂院生,等.TC4鈦合金在Na3PO4-KF-HF溶液體系中轉(zhuǎn)化膜的制備及其性能研究[J].金屬功能材料,2014,21(2):16.
[7]LIUJY,WANGWY,HUANGYB,etal.EffectofheattreatmentonmicrostructureandmechanicalpropertiesofTi-6Al-4V-1.5Mnfabricatedbypowdermetallurgy[J].JournalofMaterialsEngineeringandPerformance,2019,28:5458.
[8]YANGZT,XUYZ,SISSONRD,etal.FactorsinfluencingthecorrosionbehaviorofdirectmetallasersinteredTi-6Al-4Vforbiomedicalapplications[J].JournalofMaterialsEngineeringandPerformance,2020,29:3831.
[9]鄭立娟,胡紫濤,劉紹峰,等.TC4表面激光熔覆硬質(zhì)涂層的制備與分析[J].華南理工大學(xué)學(xué)報,2023,51(6):146.
[10]董志燕,趙海東,楊超等.一種7075/TC4復(fù)材料的制備與力學(xué)性能[J].粉末冶金工業(yè),2023,33(04):7
[11]王曉亭,喬波,張登峰,等.醫(yī)用TC4鈦合金網(wǎng)籃組織熱處理工藝[J].材料導(dǎo)報,36(S02):271.
[12]WANGJ,LINX,WANGM,etal.Effectsofsubtransusheattreatmentsonmicrostructurefeaturesandmechanicalproper-tiesofwireandarcadditivemanufacturedTi-6Al-4Valloy[J].MaterialsSciencesandEngineering(A),2020,776:1.
[13]蔡雨升,吉海賓,雷家峰,等.熱處理對激光選區(qū)熔化TC4鈦合金顯微組織和力學(xué)性能的影響[J].鈦工業(yè)進展,2020,37(1):9.
[14]肖振楠,劉婷婷,廖文和,等.激光選區(qū)熔化成形TC4鈦合金熱處理后微觀組織和力學(xué)性能[J].中國激光,2017,9:81.
[15]ZHANGMK,YANGYQ,WANGD,etal.EffectofheattreatmentonthemicrostructureandmechanicalpropertiesofTi6Al4Vgradientstructuresmanufacturedbyselectivelasermelting[J].MaterialsScienceandEngineering(A),2018,736:288.
[16]FANZC,FENGHW.StudyonselectivelasermeltingandheattreatmentofTi-6Al-4Valloy[J].ResultsinPhysics,2018,10:660.
[17]WANGQP,KONGJ,LIUXK,etal.Effectofoverlappingremeltingonmicrostructuresandmechanicalpropertiesofse-lectivelaser-meltedTi-6Al-4VAlloy[J].AdvancedEngineer-ingMaterials,2022(24):2100876.
[18]HAUBRICHJ,GUSSONEJ,BARRIOBERO-VILAP,etal.Theroleoflatticedefects,elementpartitioningandintrinsicheateffectsonthemicrostructureinselectivelasermeltedTi-6Al-4V[J].ActaMaterialia.,2019,167:136.
[19]CAOS,CHURK,ZHOUXG,etal.Roleofmartensitede-compositionintensilepropertiesofselectivelasermeltedTi-6Al-4V[J].JournalofAlloysandCompounds,2018,744:357.
[20]SHALNOVASA,KUZMINOVAYO,EVLASHINSA,etal.Effectofrecycledpowdercontentonthestructureandme-chanicalpropertiesofTi-6Al-4Valloyproducedbydirectener-gydeposition[J].JournalofAlloysandCompounds,2022,893:162264.
[21]楚瑞坤,李雯琪,張熹雯等.熱處理對選區(qū)激光熔化成形Ti_2AlNb合金組織和力學(xué)性能的影響[J].粉末冶金工業(yè),2023,33(5):49
[22]JINN,YANZY,WANGYW,etal.Effectsofheattreat-mentonmicrostructureandmechanicalpropertiesofselectivelasermeltedTi-6Al-4Vlatticematerials[J].InternationalJournalMechanicalSciences,2021,190:106042.
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