李慶棠,陳秀思,王方彬
(北京航天新風機械設(shè)備有限責任公司,北京 100854)
Ti-6Al-4V鈦合金因具備密度小、比強度高等優(yōu)勢,被普遍用在船舶海洋汽車生產(chǎn)等行業(yè)當中。
激光選區(qū)熔化技術(shù)(Slective laser melting,SLM)是增材制造技術(shù)中的一種,該制備工藝能夠避免傳統(tǒng)加工方法存在的缺陷,是近幾十年迅速發(fā)展的一種快速原型制造技術(shù)。
鈦合金通常不能通過各種熱機械處理來改變或控制顯微組織,熱處理幾乎是改善鈦合金顯微組織、提高力學(xué)性能的唯一途徑[1]。鈦合金的性能與它的微觀組織形貌有著密不可分的聯(lián)系。而微觀組織取決于熱處理工藝,因此研究鈦合金熱處理工藝對組織和性能的影響具有重要意義[2]。
為了探究不同熱處理工藝,對SLM成形TC4合金試樣的顯微組織力學(xué)性能的影響,將試樣在不同熱處理工藝下進行退火處理(如表1所示),然后對試樣進行顯微組織觀測,并用萬能實驗機進行力學(xué)性能檢測[3]。圖1為拉伸試棒示意圖。本實驗用VHX-600E的光學(xué)顯微鏡進行金相組織觀察,其中腐蝕劑的配比為:硝酸:氫氟酸:水為3:1:16,腐蝕時間為50S;利用BrukerD8型X射線衍射分析儀測試TC4成形試樣熱處理后試樣的相組成;利用CMT5105微機控制電子萬能實驗機對熱處理前后的試棒進行室溫拉伸試驗。
圖1 拉伸試棒示意圖
表1 熱處理工藝實驗參數(shù)
由圖2可知,當退火溫度在850℃以下時,β相含量沒有明顯變化,當退火溫度為1050℃時,α相含量升高,這可能是馬氏體在該溫度下分解成α相和β相。當退火溫度650℃、保溫時間不同時,可以看出β相的含量隨著保溫時間的不同沒有明顯變化;退火溫度在850℃時,顯微組織也呈現(xiàn)出相似的變化。這可能是因為650℃和850℃的退火溫度都在β相變點溫度以下,相含量對保溫時間不敏感。
圖2 XRD測得的不同熱處理制度下各相含量
圖3為不同熱處理下SLM成形TC4試樣的顯微組織。與直接沉積態(tài)相比,退火后晶界仍保持有較好的連續(xù)性,但晶界處α集束的數(shù)量減少。隨退火溫度升高,條狀α相的數(shù)量先增加后減少再增加,但是可以看出退火溫度在850℃以下時,α相的變化較小。當退火時間為3h,退火溫度自450℃升高到650℃時,條狀α相的寬度基本不變,但數(shù)量略有增加;退火溫度850℃時條狀α相的數(shù)量寬度變化較小,數(shù)量略有減小,這可能是因為該溫度接近β相轉(zhuǎn)變溫度,在該溫度下析出了少量β相,析出的β相在一定程度上會阻礙α相的生長;退火溫度1050℃時可清楚觀察到原始的 β晶界,板條狀α相的數(shù)量明顯增加,這可能是因為該退火溫度下,加熱使馬氏體組織發(fā)生分解,分解成α相和β相。在650℃下,隨著保溫時間的增加,條狀α相的寬度逐漸增加,但是保溫時間在2h、4h、6h時,其顯微組織種條狀α相的寬度逐漸變寬;從保溫時間從6h增加到8h,其顯微組織中條狀α相寬度變寬且發(fā)生積聚,形成等軸α相。退火溫度在850℃時,顯微組織也呈現(xiàn)出相似的變化。這可能是因為650℃和850℃的退火溫度都在β相變點溫度以下,保溫時間對溫度不敏感,對試樣微觀組織形貌影響較小。
圖3 不同熱處理制度下SLM成形TC4鈦合金試樣顯微組織
由表2可知,隨著退火溫度的升高,試棒的抗拉強度逐漸降低,這主要是因為隨著退火溫度的升高,β相增多,α相減少,使組織的平衡與穩(wěn)定性遭到破壞,從而降低了試樣的力學(xué)性能;試棒的斷后伸長率隨著退火溫度的升高呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,這主要是因為溫度的升高使試樣組織細化,提高了其斷后伸長率,而在1050℃出現(xiàn)的斷后伸長率的下降,可能是因為該溫度較高,造成晶粒粗化,從而使得試棒的斷后伸長率降低。
表2 不同熱處理制度下的試棒的拉伸試驗結(jié)果
從表2中可知,1號試棒的名義抗拉強度1269MPa最高,但是其斷后伸長率只有6%,2號試棒的名義抗拉強度1129MPa,比1號略低,但是其斷后伸長率為11%。所以綜合來看,2號試棒的力學(xué)性能最好。
本文對不同熱處理制度下的激光選區(qū)熔化成形TC4的微觀組織、物相組成和力學(xué)性能進行了研究。結(jié)果表明:當退火溫度低于850℃時,試件中β相的含量沒有明顯變化,當退火溫度高于850℃時,β相含量減少,這可能是因為在該溫度下試件中馬氏體相分解出的α相阻礙了β相的生長;當保溫時間不同時,可以看出β相的含量隨著保溫時間的不同沒有明顯變化,這可能是因為該退火溫度沒有達到β相變溫度,沒有β相析出,結(jié)果表明,在650℃、保溫3h、溫升速率10℃/min的熱處理工藝下,試棒的名義抗拉強度是1129MPa,斷后伸長率11%,力學(xué)性能最好。