增材制造技术是一种快速成型方法,近十年得到快速的发展,其中激光粉末床熔融是其中应用较广的一种增材制造技术,激光粉末床熔融成型的零件具有致密度高、机械性能好等优点[1-4]。TC4钛合金是一种性能优异、高比强度和屈强比、耐腐蚀性好的钛合金,已经被广泛应用在航空航天、生物医疗等领域[5-10]。由于激光粉末床熔融成型过程是快速加热冷却的过程,与传统的铸造、粉末冶金等方法对比,激光粉末床熔融成型的组织在尺度、形态和分布等方面都有所不同,其后热处理与传统方法制备的也有所区别,因此有必要对TC4钛合金打印件进行热处理从而优化其组织结构,提升TC4钛合金性能。

目前,国内外针对TC4打印件的热处理主要有退火、固溶+时效、热循环等工艺。王晓亭等[11]研究了不同时效温度对TC4钛合金组织性能的影响,发现经1020℃/1h固溶处理后,随着时效温度升高,硬度先增大后减小时效处理为650℃/3h时硬度最高,达到435.7HV。Wang等[12]研究了不同退火及固溶时效工艺下的电弧增材制造TC4钛合金的组织及性能,发现在930℃/1h固溶+800℃/2h时效工艺下的TC4钛合金性能最好。蔡雨升等[13]研究了退火工艺对激光粉末床熔融成型TC4钛合金组性能的影响,发现800℃/2h退火工艺获得的力学性能较好,其抗拉强度(UTS)为958MPa,屈服强度(YS)为818MPa,断后伸长率(El)为17.33%。肖振楠等[14]通过激光粉末床熔融制备了TC4钛合金,研究了退火、固溶、固溶时效等工艺下TC4钛合金的组织性能,结果表明840℃/2h退火工艺获得性能较佳的TC4钛合金。Zhang等[15]研究了不同退火温度及冷却方式(炉冷和空冷)对激光粉末床熔融成型TC4钛合金的组织性能影响,结果表明,800℃/2h(炉冷)处理后α片层长大,β颗粒减少,其断口表面为韧性断裂。Fan等[16]利用激光粉末床熔融技术制备出TC4钛合金,研究了不同工艺及热处理对TC4钛合金组织性能的影响,通过950℃/1h+540℃/4h固溶时效处理获得综合力学性能优异的TC4钛合金,其抗拉强度为1206MPa,屈服强度为1122MPa,断后伸长率为13.42%。

众多研究中未考虑打印件成型过程中不断热循环的热处理过程,因此可以考虑对激光粉末床熔融成型TC4钛合金进行直接时效处理,进而探究不同的时效工艺对打印件的组织及性能的影响。本文研究了不同时效热处理的时间对激光粉末床熔融成型TC4钛合金组织和性能的影响,得出适合激光粉末床熔融成型TC4钛合金的直接时效热处理工艺。

1、材料与方法

所用的TC4钛合金球形粉末形貌如图1所示,粉末粒径为15~53μm,成分见表1。

首先将粉末在干燥箱中烘干,利用ConceptLaserM2设备进行激光粉末床熔融成型,采用激光功率为340W,扫描速度为1700mm/s,扫描间距为0.1mm,光斑尺寸为0.13mm,层厚为0.03mm,由等式(1)和(2)可计算出线能量密度和体能量密度[17]分别为0.2J/mm、66.67J/mm³。

式中:EL为线能量密度;EV为体能量密度;P为激光功率;v为扫描速度;h为扫描间距;t是层厚。

图1TC4钛合金粉末

将制备好的拉伸试样在UTM5015电子万能试验机上进行拉伸试验,应变率为0.001s^-1,每组热处理样测试5个取平均值。将光学试样进行研磨抛光,配制HF∶HNO3∶H2O=1∶3∶16的腐蚀液对试样腐蚀30s,腐蚀后的试样通过FEIQuanta250F场发射环境扫描电镜和FEITalosF200X透射电镜观察显微形貌。TC4钛合金致密度通过阿基米德排水法计算得到,显微硬度用HVS-1000显微硬度计对每个试样打5点进行计算得到。

2、结果与讨论

2.1相对密度

用阿基米德法测试打印件的相对密度,计算公式见式(3),通过式(4)计算相对密度见表2。

式中:ρ为试样密度;d1为材料理论密度(TC4钛合金理论密度为4.51g/cm³);ρw为水的密度;ρ’为相对密度;m1为空气中的质量;m2为水中质量。

由表2可知,通过激光粉末床熔融技术制备的TC4钛合金具有较好的致密度,并且热处理对其致密性影响不大。

2.2显微组织

图2是不同时效时间下TC4钛合金的扫描电镜图,低倍组织图中为交错排列的针状马氏体,高倍组织图中的纳米级白色颗粒为β相析出[18-20]。

图2不同时效时间下显微组织

Fig.2Microstructuresunderdifferentagingtime

从图2(a)到(i)可以看出,随着时效时间的增加,交错排列的针状马氏体变得粗大,并且有白色颗粒析出。从图2(b)到(j)可以看出,打印态中也有少量β相析出,经过时效处理后,

β相析出增多,从而起到第二相强化作用,所以时效处理后强度和硬度有明显提高;然而随着时效时间的增加,β相逐渐粗大,因此强度和硬度有明显下降。

2.3力学性能

将拉伸试样和硬度试样分别进行室温拉伸和显微硬度测试,不同时效处理工艺下的力学性能结果如表3所示。由表可知,550℃/6h时效处理最优,其综合力学性能优异,抗拉强度为1204.6MPa,屈服强度为866MPa,断后伸长率为11.3%,显微硬度为394.4HV。继续延迟时效时间,强度、硬度下降,塑性基本不变。

打印态及550℃/6h时效处理态的应力应变曲线及断口形貌如图3、图4所示,从图3应力应变曲线可以明显看出,550℃/6h时效处理后相比于打印态抗拉强度和塑性都有所提高。

图3打印态及时效态应力应变曲线

Fig.3Stress-straincurvesofprintedstateandagedstate

图4断口形貌表明,两种状态的断口形貌中都呈现出解理面和韧窝共存,两者都存在韧性断裂和脆性断裂的特征,因此属于混合断裂。从断口中可以分析出两种状态下的塑性相差不大,与与拉伸结果一致。

图4打印态及时效态断口形貌

Fig.4Printstateandagingstatefracturemorphology

2.4强化机制

2.4.1细晶强化

细晶强化是一种不牺牲塑性的情况下而提高材料强度的强化机制,由Hall-Petch式(5)可知晶粒越细,屈服强度越大。

式中:σs为屈服强度;σ0和K均为常数;d是晶粒的平均直径。

因此TC4钛合金时效时间为6h后,随着时间增加,析出相越大,强度下降,当550℃/6h时效处理时属于最优工艺,从而综合力学性能较好。

2.4.2第二相强化

第二相强化是指第二相以细小弥散的微粒均匀分布于基体相中时,而产生的强化作用。第二相强化是因为析出相阻碍位错运动,从而提高其强度。

由于激光粉末床熔融是一种快速加热、冷却技术,其冷却速度为10⁴~10⁵K/s[21-22],所以得到的TC4钛合金是一种过饱和α固溶体,经时效处理后分解为α+β相。如图5(b)所示,组织中有β相存在,因此时效处理能提高其强度。

图5550℃/6h时效处理TEM图

Fig.5TEMimagesof550℃/6hagingtreatment

2.4.3位错强化

位错强化也是金属材料中的强化机制,位错密度越高,位错运动越困难,抵抗塑性变形的能力越大,因此材料表现出高强度。由于激光粉末床熔融制备的TC4钛合金具有高密度位错,低温时效处理后位错仍保留下,如图5(a)所示,α相上有许多位错,因此打印态及热处理态都具有高强度。

另外,位错切过纳米级析出相时,能同时提高强塑性。

2.4.4塑性变形机制

由图5(c)可知,热处理后有大量孪晶生成,材料的塑性变形机制为滑移和孪生,当滑移和孪生交替发生时,更有利于变形。打印态的TC4钛合金主要是通过滑移来变形的,而α相属于密排六方结构,只有3个滑移系,因此打印态的TC4钛合金塑性较差;经过热处理后,由于孪生的存在,更有利于变形,所以TC4钛合金的塑性有所提高。

3、结论

(1)激光粉末床熔融技术制备了致密的TC4钛合金,其致密度达到98.2%,热处理对致密性影响不大。

(2)激光粉末床熔融技术制备TC4钛合金经过550℃/6h直接时效处理获得优异的力学性能,其抗拉强度为1204.6MPa,屈服强度为866.0MPa,断后伸长率为11.3%,硬度为394.4HV。

(3)由于存在大量位错导致激光粉末床熔融技术制备TC4钛合金具有高强度,而热处理后由于β相析出以及孪晶的生成从而获得综合力学性能较好的TC4钛合金,并且随着时效时间增加,析出相越大,导致强度下降。

参考文献:

[1]武亮亮,焦泽辉,于慧臣.激光选区熔化TC4合金小裂纹扩展行为[J].材料工程,2023,51(6):83.

[2]李杜,周朝辉,严雷鸣,等.Al-Mg-Li合金选区激光熔化成形及热处理工艺[J].金属功能材料,2023,30(2):40.

[3]亢宁宁,陈文革,杨鑫,等.选区激光熔化制备蜂窝状多孔钛及表征[J].金属功能材料,2020,27(4):47.

[4]PARRYL,ASHCROFTIA,WILDMANRD.Understandingtheeffectoflaserscanstrategyonresidualstressinselectivela-sermeltingthroughthermo-mechanicalsimulation[J].AdditiveManufacturing,2016,12:1.

[5]李长富,郑鉴深,周思雨.CMT电弧增材制造TC4钛合金的显微组织与力学性能[J].中国有色金属学报,2022,32(9):2609.

[6]陈廷益,李欣明,吕院生,等.TC4钛合金在Na3PO4-KF-HF溶液体系中转化膜的制备及其性能研究[J].金属功能材料,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]郑立娟,胡紫涛,刘绍峰,等.TC4表面激光熔覆硬质涂层的制备与分析[J].华南理工大学学报,2023,51(6):146.

[10]董志燕,赵海东,杨超等.一种7075/TC4复材料的制备与力学性能[J].粉末冶金工业,2023,33(04):7

[11]王晓亭,乔波,张登峰,等.医用TC4钛合金网篮组织热处理工艺[J].材料导报,36(S02):271.

[12]WANGJ,LINX,WANGM,etal.Effectsofsubtransusheattreatmentsonmicrostructurefeaturesandmechanicalproper-tiesofwireandarcadditivemanufacturedTi-6Al-4Valloy[J].MaterialsSciencesandEngineering(A),2020,776:1.

[13]蔡雨升,吉海宾,雷家峰,等.热处理对激光选区熔化TC4钛合金显微组织和力学性能的影响[J].钛工业进展,2020,37(1):9.

[14]肖振楠,刘婷婷,廖文和,等.激光选区熔化成形TC4钛合金热处理后微观组织和力学性能[J].中国激光,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,张熹雯等.热处理对选区激光熔化成形Ti_2AlNb合金组织和力学性能的影响[J].粉末冶金工业,2023,33(5):49

[22]JINN,YANZY,WANGYW,etal.Effectsofheattreat-mentonmicrostructureandmechanicalpropertiesofselectivelasermeltedTi-6Al-4Vlatticematerials[J].InternationalJournalMechanicalSciences,2021,190:106042.

相关链接