Ti-6Al-4V钛合金又称TC4钛合金,是典型的α+β相钛合金,具有高强度、低密度、高断裂韧度、优异的耐腐蚀性能和生物相容性[1-2],被广泛用于航空航天、船舶、汽车、能源、医疗、化工和生物医药等行业[3]。选择性激光熔化(SelectiveLaserMelting,SLM)技术作为一种典型的基于计算机辅助设计(Computer Aided Design,CAD)模型制造零件的激光增材制造技术,为一些制造企业提供了一系列市场竞争优势,包括无需模具和工具的近净成形生产、高的材料利用效率和水平灵活性[4-6]。SLM 技术中的激光打印技术具有较高的温度梯度和较快的冷却速率,是生产形状复杂的TC4钛合金零件最有应用前景的附加制造技术之一。采用 SLM 技术生产的TC4钛合金的典型组织为柱状β晶粒、超细非平衡亚稳马氏体α'相和大量位错,这种组织不同于常规退火和锻造后得到的等轴状α相+晶间β相,超细晶粒尺寸和大量位错的存在使材料硬度和强度更高,非平衡亚稳α'相对材料的延展性和抗疲劳性能不利,所以其拉伸性能始终表现为高强度(抗拉强度极限可达1320MPa[7])、低塑性(塑性应变为2%~7%[8-9])。采用 SLM 技术生产的成形件,其断后伸长率较低,且残余应力较大[10-11],需对其进行热处理。通常各种形变热处理不能改变或控制钛合金的显微组织,而热处理是改善钛合金的显微组织、提高其力学性能的唯一途径[12]。

目前,关于热处理对选择性激光熔化TC4钛合金性能影响的研究较多,SU 等[13]通过试验证明了850℃热处理+水淬、850℃热处理+550℃固溶处理和热等静压工艺都可提高选择性激光熔化TC4钛合金的拉伸性能和疲劳性能。YAN 等[14]通过试验证明了热处理对选择性激光熔化TC4钛合金的相变和硬度均会产生影响。李笑等[15]研究了冷却方式、时效温度、时效时间、固溶温度对选择性激光熔化TC4钛合金室温塑性的影响,结果表明固溶后的冷却方式影响最大,其次是时效温度。然而,现有报道都只对试样的一个平面(侧面)进行了研究,未考虑选择性激光熔化TC4钛合金板材有两个成形面。

根据现有研究,并考虑α相转变温度,笔者研究了不同热处理温度对选择性激光熔化TC4钛合金板不同成形面的显微组织和性能的影响,以期为选择性激光熔化TC4钛合金的发展与应用提供理论依据。

1、 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为球形TC4钛合金粉末,采用气相雾化法,按表1所示的成形工艺参数和图1所示的打印方案,采用逐层旋转67°扫描策略,以 XY 轴为底向Z轴打印,打印出来的TC4钛合金板如图2所示。

1.2 试验方法

利用线切割机,在图2所示板材右边区域截取尺寸为20mm×20mm×8mm 的小块,再将其均分成16个块状试样,切割时对试样顶面和侧面进行标记,顶面为 XOY 面,侧面为 XOZ 面。在16个块状试样中选取侧面试样和顶面试样各4个,将其分成4组,每组包含一个顶面试样和一个侧面试样,其中1组作为原始试样,其他3组按照表2所示的工艺参数进行热处理。

热处理后,将试样进行镶嵌、打磨、抛光后,采用HNO3,HF,H2O按体积比为10∶5∶85混合的溶液腐蚀25s,然后用光学显微镜和扫描电镜(SEM)进行微观形貌观察,用 X射线衍射仪(XRD)分析其相组成。

采用维氏显微硬度计,对热处理后的选择性激光熔化TC4钛合金板试样进行硬度测试,每个试样选取20个测试点,取其平均值。

2 、试验结果与讨论

2.1 相组成

如图3所示:α相和α'相晶体结构相同,衍射峰的位置也相同,所以原始试样中的 α相和 α'相的所有衍射峰都可以标记为 α'相[16];与原始试样中的β相衍射峰相比,顶面试样的β相衍射峰随热处理温度上升的提高程度并不明显,当热处理温度上升至950℃时,其β相衍射峰提高较多,表明顶面试样中的β相含量升高。侧面试样 XRD 谱的变化规律与顶面试样的相同;在不同热处理温度条件下,顶面和侧面试样的衍射峰高度相差不大。

2.2 微观组织

由图4和图5可见:原始顶面试样中存在柱状β相,晶内存在大量的针状马氏体α'相。随着热处理温度的升高,顶面试样晶粒逐渐粗化,β晶粒逐渐减少;原始顶面试样表面呈棋盘形貌,这是67°填充角在相邻层之间产生相互交叉的扫描路径形成的,柱状晶粒中有超细的分层针状马氏体 α'相,大多数马氏体α'相长轴取向约为±45°,原因是α,β两相之间存在严格的伯格斯取向关系,即(0001)α//{110}β和<1120>α//<111>β[11];经750℃/2h+空冷处理后,与原始试样相比,顶面试样的晶粒尺寸没有明显变化,柱状β相晶界内的一部分针状α'相转变为层状α相,由 此 判 断 该 组 织 为 魏 氏 组 织;经 850℃/2h+空冷处理后,顶面试样晶粒粗化,仍可见柱状β晶,针状α'相完全转变为层状α相和β相,β晶粒呈小块状,且层状α相仍在先前的柱状β相晶内,由此判断该组织为网篮组织;经950℃/2h+空冷处理后,顶面试样晶粒明显粗化,形成了球状α相,基本看不到柱状β相,β晶粒聚集、长大,变为细棒状,形成层状β相本转变组织,由此判断该组织为双态组织。

由图6和图7可见:侧面试样的扫描痕迹比顶面试样的深,柱状β相更加清晰;随着热处理温度的升高,侧面试样的晶粒逐渐粗化,柱状β相晶界逐渐模糊,这与顶面试样的变化规律相同;在不同热处理温度条件下,侧面试样均存在柱状β相,这与顶面试样不同。

2.3 硬度测试

由图8可见:原始顶面试样和原始侧面试样的硬度平均值分别为320HV 和317HV;随着热处理温度的升高,顶面试样的硬度从308HV(750℃)下降至291HV(850℃),然后又上升至309HV(950℃);侧面试样的硬度变化规律与顶面试样的相同,其硬度从311HV(750℃)下降至297HV(850℃),然后又上升至303HV(950℃)。由 XRD和SEM 分析结果可知:在750~850℃热处理时,试样主要发生α'相向α相的转变,α'相为过饱和固溶体,其硬度显著高于α相的硬度;顶面和侧面试样中均含有大量针状马氏体α'相,经750℃/2h+空冷处理后,α'相转变为α相,试样的硬度降低;经850℃/2h+空冷处理后,针状α'相全部转化为α相和β相,其组织以层状α相和小块状β相为主,试样硬度降低;经950℃/2h+空冷处理后,顶面和侧面试样硬度升高,原因是该热处理温度超过了α相的转变温度(882℃),发生了再结晶,形成球状α相和层状β相转变组织。与球状α相相比,层状α相的存在会使钛合金的断后伸长率降低,层状β相中有较多相互交错排列且细小的次生α相,相界面阻碍滑移的进行,钛合金变形困难,在双态组织中层状β相含量较高,导致钛合金硬度升高。

3、 结论

(1)随着热处理温度的升高,选择性激光熔化TC4钛合金板顶面和侧面的针状马氏体 α'相不断减少,当热处理温度为850℃时,针状α'相完全转变为α相和β相,当热处理温度(950℃)超过α相转变温度时,β相含量升高。在950℃热处理后,选择性激光熔化TC4钛合金板顶面基本没有柱状β相,且形成了等轴状β相,其侧面仍存在柱状β相。

(2)未经热处理的选择性激光熔化TC4钛合金板的硬度最大,其顶面和侧面的硬度分别为320HV和317HV。经过不同温度热处理的钛合金板,其顶面和侧面的硬度随着温度的升高呈先减小后增大的趋势。钛合金板顶面的硬度从308HV(750℃)下降至291HV(850℃),然后又上升至309HV(950℃),其侧 面 的 硬 度 从 311HV(750℃)下 降 至 297HV(850℃),然后又上升至303HV(950℃)。

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