Ti-6Al-4V鈦合金又稱TC4鈦合金,是典型的α+β相鈦合金,具有高強度、低密度、高斷裂韌度、優異的耐腐蝕性能和生物相容性[1-2],被廣泛用于航空航天、船舶、汽車、能源、醫療、化工和生物醫藥等行業[3]。選擇性激光熔化(SelectiveLaserMelting,SLM)技術 作 為 一 種 典 型 的 基 于 計 算 機 輔 助 設 計(Computer Aided Design,CAD)模型制造零件的激光增材制造技術,為一些制造企業提供了一系列市場競爭優勢,包括無需模具和工具的近凈成形生產、高的材料利用效率和水平靈活性[4-6]。SLM 技術中的激光打印技術具有較高的溫度梯度和較快的冷卻速率,是生產形狀復雜的TC4鈦合金零件最有應用前景的附加制造技術之一。采用 SLM 技術生產的TC4鈦合金的典型組織為柱狀β晶粒、超細非平衡亞穩馬氏體α'相和大量位錯,這種組織不同于常規退火和鍛造后得到的等軸狀α相+晶間β相,超細晶粒尺寸和大量位錯的存在使材料硬度和強度更高,非平衡亞穩α'相對材料的延展性和抗疲勞性能不利,所以其拉伸性能始終表現為高強度(抗拉強度極限可達1320MPa[7])、低塑性(塑性應變為2%~7%[8-9])。采用 SLM 技術生產的成形件,其斷后伸長率較低,且殘余應力較大[10-11],需對其進行熱處理。通常各種形變熱處理不能改變或控制鈦合金的顯微組織,而熱處理是改善鈦合金的顯微組織、提高其力學性能的唯一途徑[12]。

目前,關于熱處理對選擇性激光熔化TC4鈦合金性能影響的研究較多,SU 等[13]通過試驗證明了850℃熱處理+水淬、850℃熱處理+550℃固溶處理和熱等靜壓工藝都可提高選擇性激光熔化TC4鈦合金的拉伸性能和疲勞性能。YAN 等[14]通過試驗證明了熱處理對選擇性激光熔化TC4鈦合金的相變和硬度均會產生影響。李笑等[15]研究了冷卻方式、時效溫度、時效時間、固溶溫度對選擇性激光熔化TC4鈦合金室溫塑性的影響,結果表明固溶后的冷卻方式影響最大,其次是時效溫度。然而,現有報道都只對試樣的一個平面(側面)進行了研究,未考慮選擇性激光熔化TC4鈦合金板材有兩個成形面。

根據現有研究,并考慮α相轉變溫度,筆者研究了不同熱處理溫度對選擇性激光熔化TC4鈦合金板不同成形面的顯微組織和性能的影響,以期為選擇性激光熔化TC4鈦合金的發展與應用提供理論依據。

1、 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為球形TC4鈦合金粉末,采用氣相霧化法,按表1所示的成形工藝參數和圖1所示的打印方案,采用逐層旋轉67°掃描策略,以 XY 軸為底向Z軸打印,打印出來的TC4鈦合金板如圖2所示。

1.2 試驗方法

利用線切割機,在圖2所示板材右邊區域截取尺寸為20mm×20mm×8mm 的小塊,再將其均分成16個塊狀試樣,切割時對試樣頂面和側面進行標記,頂面為 XOY 面,側面為 XOZ 面。在16個塊狀試樣中選取側面試樣和頂面試樣各4個,將其分成4組,每組包含一個頂面試樣和一個側面試樣,其中1組作為原始試樣,其他3組按照表2所示的工藝參數進行熱處理。

熱處理后,將試樣進行鑲嵌、打磨、拋光后,采用HNO3,HF,H2O按體積比為10∶5∶85混合的溶液腐蝕25s,然后用光學顯微鏡和掃描電鏡(SEM)進行微觀形貌觀察,用 X射線衍射儀(XRD)分析其相組成。

采用維氏顯微硬度計,對熱處理后的選擇性激光熔化TC4鈦合金板試樣進行硬度測試,每個試樣選取20個測試點,取其平均值。

2 、試驗結果與討論

2.1 相組成

如圖3所示:α相和α'相晶體結構相同,衍射峰的位置也相同,所以原始試樣中的 α相和 α'相的所有衍射峰都可以標記為 α'相[16];與原始試樣中的β相衍射峰相比,頂面試樣的β相衍射峰隨熱處理溫度上升的提高程度并不明顯,當熱處理溫度上升至950℃時,其β相衍射峰提高較多,表明頂面試樣中的β相含量升高。側面試樣 XRD 譜的變化規律與頂面試樣的相同;在不同熱處理溫度條件下,頂面和側面試樣的衍射峰高度相差不大。

2.2 微觀組織

由圖4和圖5可見:原始頂面試樣中存在柱狀β相,晶內存在大量的針狀馬氏體α'相。隨著熱處理溫度的升高,頂面試樣晶粒逐漸粗化,β晶粒逐漸減少;原始頂面試樣表面呈棋盤形貌,這是67°填充角在相鄰層之間產生相互交叉的掃描路徑形成的,柱狀晶粒中有超細的分層針狀馬氏體 α'相,大多數馬氏體α'相長軸取向約為±45°,原因是α,β兩相之間存在嚴格的伯格斯取向關系,即(0001)α//{110}β和<1120>α//<111>β[11];經750℃/2h+空冷處理后,與原始試樣相比,頂面試樣的晶粒尺寸沒有明顯變化,柱狀β相晶界內的一部分針狀α'相轉變為層狀α相,由 此 判 斷 該 組 織 為 魏 氏 組 織;經 850℃/2h+空冷處理后,頂面試樣晶粒粗化,仍可見柱狀β晶,針狀α'相完全轉變為層狀α相和β相,β晶粒呈小塊狀,且層狀α相仍在先前的柱狀β相晶內,由此判斷該組織為網籃組織;經950℃/2h+空冷處理后,頂面試樣晶粒明顯粗化,形成了球狀α相,基本看不到柱狀β相,β晶粒聚集、長大,變為細棒狀,形成層狀β相本轉變組織,由此判斷該組織為雙態組織。

由圖6和圖7可見:側面試樣的掃描痕跡比頂面試樣的深,柱狀β相更加清晰;隨著熱處理溫度的升高,側面試樣的晶粒逐漸粗化,柱狀β相晶界逐漸模糊,這與頂面試樣的變化規律相同;在不同熱處理溫度條件下,側面試樣均存在柱狀β相,這與頂面試樣不同。

2.3 硬度測試

由圖8可見:原始頂面試樣和原始側面試樣的硬度平均值分別為320HV 和317HV;隨著熱處理溫度的升高,頂面試樣的硬度從308HV(750℃)下降至291HV(850℃),然后又上升至309HV(950℃);側面試樣的硬度變化規律與頂面試樣的相同,其硬度從311HV(750℃)下降至297HV(850℃),然后又上升至303HV(950℃)。由 XRD和SEM 分析結果可知:在750~850℃熱處理時,試樣主要發生α'相向α相的轉變,α'相為過飽和固溶體,其硬度顯著高于α相的硬度;頂面和側面試樣中均含有大量針狀馬氏體α'相,經750℃/2h+空冷處理后,α'相轉變為α相,試樣的硬度降低;經850℃/2h+空冷處理后,針狀α'相全部轉化為α相和β相,其組織以層狀α相和小塊狀β相為主,試樣硬度降低;經950℃/2h+空冷處理后,頂面和側面試樣硬度升高,原因是該熱處理溫度超過了α相的轉變溫度(882℃),發生了再結晶,形成球狀α相和層狀β相轉變組織。與球狀α相相比,層狀α相的存在會使鈦合金的斷后伸長率降低,層狀β相中有較多相互交錯排列且細小的次生α相,相界面阻礙滑移的進行,鈦合金變形困難,在雙態組織中層狀β相含量較高,導致鈦合金硬度升高。

3、 結論

(1)隨著熱處理溫度的升高,選擇性激光熔化TC4鈦合金板頂面和側面的針狀馬氏體 α'相不斷減少,當熱處理溫度為850℃時,針狀α'相完全轉變為α相和β相,當熱處理溫度(950℃)超過α相轉變溫度時,β相含量升高。在950℃熱處理后,選擇性激光熔化TC4鈦合金板頂面基本沒有柱狀β相,且形成了等軸狀β相,其側面仍存在柱狀β相。

(2)未經熱處理的選擇性激光熔化TC4鈦合金板的硬度最大,其頂面和側面的硬度分別為320HV和317HV。經過不同溫度熱處理的鈦合金板,其頂面和側面的硬度隨著溫度的升高呈先減小后增大的趨勢。鈦合金板頂面的硬度從308HV(750℃)下降至291HV(850℃),然后又上升至309HV(950℃),其側 面 的 硬 度 從 311HV(750℃)下 降 至 297HV(850℃),然后又上升至303HV(950℃)。

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