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(yōu)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(yī)療、化工和生物醫(yī)藥等行業(yè)[3]。選擇性激光熔化(SelectiveLaserMelting,SLM)技術(shù) 作 為 一 種 典 型 的 基 于 計 算 機 輔 助 設(shè) 計(Computer Aided Design,CAD)模型制造零件的激光增材制造技術(shù),為一些制造企業(yè)提供了一系列市場競爭優(yōu)勢,包括無需模具和工具的近凈成形生產(chǎn)、高的材料利用效率和水平靈活性[4-6]。SLM 技術(shù)中的激光打印技術(shù)具有較高的溫度梯度和較快的冷卻速率,是生產(chǎn)形狀復(fù)雜的TC4鈦合金零件最有應(yīng)用前景的附加制造技術(shù)之一。采用 SLM 技術(shù)生產(chǎn)的TC4鈦合金的典型組織為柱狀β晶粒、超細(xì)非平衡亞穩(wěn)馬氏體α'相和大量位錯,這種組織不同于常規(guī)退火和鍛造后得到的等軸狀α相+晶間β相,超細(xì)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(wěn)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(xiàn)為高強度(抗拉強度極限可達1320MPa[7])、低塑性(塑性應(yīng)變?yōu)?%~7%[8-9])。采用 SLM 技術(shù)生產(chǎn)的成形件,其斷后伸長率較低,且殘余應(yīng)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(xué)性能的唯一途徑[12]。
目前,關(guān)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(chǎn)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(jié)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(xiàn)有報道都只對試樣的一個平面(側(cè)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(jù)現(xiàn)有研究,并考慮α相轉(zhuǎn)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(fā)展與應(yīng)用提供理論依據(jù)。
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(shù)和圖1所示的打印方案,采用逐層旋轉(zhuǎn)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(qū)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(cè)面進行標(biāo)記,頂面為 XOY 面,側(cè)面為 XOZ 面。在16個塊狀試樣中選取側(cè)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(cè)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(shù)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(xué)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(jié)果與討論
2.1 相組成
如圖3所示:α相和α'相晶體結(jié)構(gòu)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(biāo)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(dāng)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(cè)面試樣 XRD 譜的變化規(guī)律與頂面試樣的相同;在不同熱處理溫度條件下,頂面和側(cè)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(nèi)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(chǎn)生相互交叉的掃描路徑形成的,柱狀晶粒中有超細(xì)的分層針狀馬氏體 α'相,大多數(shù)馬氏體α'相長軸取向約為±45°,原因是α,β兩相之間存在嚴(yán)格的伯格斯取向關(guān)系,即(0001)α//{110}β和<1120>α//<111>β[11];經(jīng)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(nèi)的一部分針狀α'相轉(zhuǎn)變?yōu)閷訝瞀料?由 此 判 斷 該 組 織 為 魏 氏 組 織;經(jīng) 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(zhuǎn)變?yōu)閷訝瞀料嗪挺孪?β晶粒呈小塊狀,且層狀α相仍在先前的柱狀β相晶內(nèi),由此判斷該組織為網(wǎng)籃組織;經(jīng)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?yōu)榧?xì)棒狀,形成層狀β相本轉(zhuǎn)變組織,由此判斷該組織為雙態(tài)組織。
由圖6和圖7可見:側(cè)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(cè)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(guī)律相同;在不同熱處理溫度條件下,側(cè)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(cè)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(cè)面試樣的硬度變化規(guī)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(jié)果可知:在750~850℃熱處理時,試樣主要發(fā)生α'相向α相的轉(zhuǎn)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(cè)面試樣中均含有大量針狀馬氏體α'相,經(jīng)750℃/2h+空冷處理后,α'相轉(zhuǎn)變?yōu)棣料?試樣的硬度降低;經(jīng)850℃/2h+空冷處理后,針狀α'相全部轉(zhuǎn)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(jīng)950℃/2h+空冷處理后,頂面和側(cè)面試樣硬度升高,原因是該熱處理溫度超過了α相的轉(zhuǎn)變溫度(882℃),發(fā)生了再結(jié)晶,形成球狀α相和層狀β相轉(zhuǎn)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(xì)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(tài)組織中層狀β相含量較高,導(dǎo)致鈦合金硬度升高。
3、 結(jié)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(cè)面的針狀馬氏體 α'相不斷減少,當(dāng)熱處理溫度為850℃時,針狀α'相完全轉(zhuǎn)變?yōu)棣料嗪挺孪?當(dāng)熱處理溫度(950℃)超過α相轉(zhuǎn)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(cè)面仍存在柱狀β相。
(2)未經(jīng)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(cè)面的硬度分別為320HV和317HV。經(jīng)過不同溫度熱處理的鈦合金板,其頂面和側(cè)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(cè) 面 的 硬 度 從 311HV(750℃)下 降 至 297HV(850℃),然后又上升至303HV(950℃)。
參考文獻:
[1] REZVANIAN P,DAZA R,LóPEZ P A,et al. Enhanced biological response of AVS-functionalized Ti-6Al-4V alloy through covalent immobilization of collagen[J].ScientificReports,2018,8:3337.
[2] TODARO C J,EASTON M A,QIU D,et al.Grain structure control during metal 3D printing by high-intensity ultrasound [J].Nature Communications,2020,11:142.
[3] TAN X,KOK Y,TOH W Q,et al.Revealing martensitic transformation and α/β interface evolution in electron beam melting three-dimensional-printed Ti-6Al-4V[J].ScientificReports,2016,6:26039.
[4] YANG J J,YU H C,YANG H H,et al.Prediction of microstructure in selective laser melted Ti6Al4V alloy by cellular automaton[J].Journal of Alloys and Compounds,2018,748:281-290.
[5] YANG H H,YANG J J,HUANG W P,et al.The printability,microstructure,crystallographic features and microhardness of selective laser melted Inconel 718 thin wall[J].Materials & Design,2018,156:407-418.
[6] YANG J J,YANG H H,YU H C,et al.A novel approach to in situ fabricate Ti-6Al-4V alloy with graded microstructure and property by selective laser melting[J].Materials Letters,2018,215:246-249.
[7] WYSOCKI B,MAJ P,SITEK R,et al.Laser and electron beam additive manufacturing methods of fabricating titanium bone implants [J].Applied Sciences,2017,7(7):657.
[8] RAFI H K,KARTHIK N V,GONG H J,et al. Microstructures and mechanical properties of Ti6Al4V parts fabricated by selective laser melting and electron beam melting[J].Journal of Materials Engineering and Performance,2013,22(12):3872-3883.
[9] LIU S Y,SHIN Y C.Additive manufacturing of Ti6Al4V alloy:a review [J].Materials & Design, 2019,164:107552.
[10] MERTENS A,REGINSTER S,PAYDAS H,et al. Mechanical properties of alloy Ti-6Al-4V and of stainless steel 316L processed by selective laser melting: influence of out-of-equilibrium microstructures[J].Powder Metallurgy,2014,57(3):184-189.
[11] MURR LE,QUINONES S A,GAYTAN S M,et al. Microstructure and mechanical behavior of Ti-6Al-4V produced by rapid-layer manufacturing,for biomedical applications[J].Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials,2009,2(1):20-32.
[12] 劉婉穎,朱毅科,林元華,等.熱處理對TC4鈦合金顯微組織 和 力 學(xué) 性 能 的 影 響 [J].材 料 導(dǎo) 報,2013,27 (18):108-111.
[13] SU C Y ,YU H C, WANG Z M, et al.Controlling the tensile and fatigue properties of selective laser melted Ti-6Al-4V alloy by post treatment[J].Journal of Alloys and Compounds,2021,857:157552.
[14] YAN X, CHEN C, HUANG C, et al.Effect of heat treatment on the phase transformation and mechanical properties of Ti-6Al-4V fabricated by selective laser melting[J].Journal of Alloys and Compounds,2018,764:1056-1071.
[15] 李笑,李劍.Ti-6Al-4V 合金厚板固溶時效熱處理工藝的正交試驗優(yōu)化[J].理化檢驗(物 理 分 冊),2021,57(3):14-18.
[16] LEUDERS S,TH?NE M,RIEMER A,et al.On the mechanical behaviour of titanium alloy TiAl6V4 manufactured by selective laser melting:fatigue resistance and crack growth performance [J]. International Journal of Fatigue,2013,48:300-307.
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