發(fā)布日期：2022-10-3 22:13:42
TC4鈦合金因具有比強(qiáng)度高、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕和抗高溫蠕變等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域和其他新興領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。 隨著航空航天科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)鈦合金結(jié)構(gòu)輕量化及性能提出了更高要求。 由于利用傳統(tǒng)制造方法制造復(fù)雜零部件時(shí)存在效率低、成本高且難于實(shí)現(xiàn)等問(wèn)題，近年來(lái)人們熱衷于3D打印直接成形研究以解決上述問(wèn)題，并獲得了眾多成果［1 － 4］。 現(xiàn)有研究［5］表明，隨著激光功率的提高，晶粒尺寸增大; 掃描速度影響熔覆過(guò)程中的加熱時(shí)間及粉末利用率，掃描速度越高，粉末和基材的加熱時(shí)間越短，粉末利用率越低; 送粉量影響成形效率，在保證激光功率密度足夠的情況下送粉量越多，成形效率越高［6］。
激光3D打印工藝參數(shù)對(duì)3D打印材料成形質(zhì)量及構(gòu)件性能具有很大影響，因而激光3D打印工藝參數(shù)選擇的正確與否顯得非常重要。 到目前為止，當(dāng)激光輸出功率約為2kW 時(shí)，3D打印工藝參數(shù)與鈦合金成形質(zhì)量、性能之間的關(guān)系仍缺乏科學(xué)、全面及系統(tǒng)的研究。 本文采用了正交試驗(yàn)方法，研究了當(dāng)激光輸出功率約為2kW 時(shí)，3D打印工藝參數(shù)對(duì)鈦合金成形質(zhì)量及性能的影響規(guī)律。
1、試驗(yàn)設(shè)備與方法
用于TC4鈦合金打印的LDM-8060 設(shè)備是由南京中科煜宸激光技術(shù)有限公司自主研發(fā)的，該設(shè)備主要由4 kW 光纖耦合半導(dǎo)體激光器( 聚焦點(diǎn)光斑直徑為4 mm) 、四路送粉3D打印頭、氣載式送粉器、氬氣工作倉(cāng)+ 凈化系統(tǒng)、水冷機(jī)、三軸數(shù)控工作系統(tǒng)+ 工作臺(tái)、3D打印軟件+ 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)等組成。 激光3D打印工藝參數(shù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案如表1 所示。
TC4基板采用鈦合金鍛造板材，其尺寸為100 mm × 100 mm × 20 mm。 試驗(yàn)前首先利用SiC砂紙進(jìn)行打磨處理，然后采用丙酮進(jìn)行擦拭，從而去除基板表面的油污和氧化膜等雜質(zhì)。 TC4鈦合金粉末粒度范圍為75 ～ 120 μm，其化學(xué)成分為:w( Al) = 5.5 ～ 6.75%、w ( V ) = 3.5 ～ 4.5%、w( Fe) ≤0. 25%、w( C) ≤0.08、w( O) ≤0.16%、 w( N) ≤0.01%、w( H) ≤0.01%、余量為T(mén)i。 試驗(yàn)前將TC4 粉末放到惰性氣體加熱器內(nèi)于200 ℃下進(jìn)行烘干處理，以去除粉末中的水分。 對(duì)激光3D打印制造的塊體進(jìn)行線(xiàn)切割，制備尺寸為15 mm × 10 mm × 10 mm 的單道金相試樣以及Z向和XY 向拉伸試樣。 拉伸試樣尺寸如圖1 所示( 單位: mm) ，其實(shí)物圖如圖2 所示。
利用500# ～ 2000# SiC 砂紙對(duì)金相試樣進(jìn)行研磨后，再對(duì)試樣進(jìn)行拋光處理，然后利用Kroll腐蝕液( HF、HNO3、H2O 體積比為1∶ 6∶ 7) 進(jìn)行腐蝕，腐蝕時(shí)間約為30s。 采用蔡司ZX-10 型金相顯微鏡和SU8010 型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡分析了金相試樣的組織。 采用WDW-100 型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試了拉伸試樣的力學(xué)性能。
2、結(jié)果與分析
2.1 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析
單道3D打印試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2 所示。 由表2 中的熔合比數(shù)據(jù)指標(biāo)可以清楚地看到，3、6 和7號(hào)試樣的熔合比相對(duì)較小，分別為0.74、0.75 和0.76。 單道3D打印層的外觀形貌如圖3所示。 由圖3可知，3號(hào)試樣表面具有大量粘粉，其原因主要是由激光功率不足引起的。 6和7號(hào)試樣外觀形貌良好。 與3號(hào)試樣相比，6和7號(hào)試樣熔合比僅分別增加了0.01 和0.02。 另外，7號(hào)試樣的送粉量在三個(gè)試樣中最大。 綜合上述分析可以確定7 號(hào)試樣數(shù)據(jù)為最優(yōu)打印參數(shù)。
圖4 為單道3D打印層的橫截面組織形貌。
由圖4 可以測(cè)量出熔深和余高，從而計(jì)算出熔合比。 熔合比的計(jì)算采用熔深/( 熔深+ 余高) 的方法。 熔合比越小，表明基板材料對(duì)3D打印層的影響越小，3D打印質(zhì)量越好。
單道3D打印試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果如表3 所示。 表3 中Ki為任一列因素水平為i 時(shí)所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果之和; ki為任一列因素水平為i 時(shí)所得試驗(yàn)結(jié)果的算數(shù)平均值; Ｒ 為極差。 由表3 可見(jiàn)，各列數(shù)據(jù)的極差不同，表明各因素的水平改變對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響各不相同。 極差越大，表明該列因素在試驗(yàn)范圍內(nèi)的數(shù)值變化會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)指標(biāo)數(shù)值產(chǎn)生更大變化，所以極差最大的那一列因素就是對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響最大的因素，即最主要因素。 由于Ｒ2 ＞ Ｒ1 ＞ Ｒ3，所以各因素從主到次的順序?yàn)? 因素二( 掃描速度) ＞ 因素一( 激光功率) ＞ 因素三( 送 粉量) 。 從極差值大小可以直接看出掃描速度是影響熔合比的最主要因素，其次是激光功率，影響最小的是送粉量。
以因素水平為橫坐標(biāo)，熔合比為縱坐標(biāo)，分析指標(biāo)-因素之間的關(guān)系，結(jié)果如圖5 所示。 由圖5可知，當(dāng)激光輸出功率為1900 W、掃描速度為700mm /min、送粉量為8g/min 時(shí)，熔合比均較小。 結(jié)合表2 中的實(shí)際試樣參數(shù)可知，7號(hào)試樣參數(shù)為最優(yōu)工藝參數(shù)，即激光輸出功率為1900 W、掃描速度為700mm/min、送粉量為10g/min。
2.2 顯微組織
激光3D打印TC4鈦合金的顯微組織如圖6所示。 由圖6a可以觀察到，高溫下粗大β柱狀晶基本垂直于3D打印( 熔合線(xiàn)) 方向［7］，該柱狀晶寬度約為0.5mm。 由圖6b可知，柱狀晶界先析出相( α相) 呈棒狀分布，柱狀晶內(nèi)次析出了大量片層α相、少量片層α魏氏板條相及短棒狀α相。
魏氏α板條相具有細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)特征，長(zhǎng)寬比較大且尖端無(wú)球化現(xiàn)象。 大量魏氏α板條相主要沿著晶界向晶內(nèi)生長(zhǎng)，形成具有集束狀的形貌特征［8 － 9］。另外，在柱狀晶內(nèi)存在少量短小棒狀α相，其形成原因是在激光3D打印過(guò)程中，由于先析出及次析出α相在晶界和晶內(nèi)形核并長(zhǎng)大，因α相生長(zhǎng)方向不同，不同方向的α相接觸后停止生長(zhǎng)，從而抑制了部分α相的生長(zhǎng)，因而形成了少量短棒狀α相。 柱狀晶組織影響鈦合金的拉伸性能，在柱狀晶生長(zhǎng)方向鈦合金的拉伸塑性高于垂直晶粒生長(zhǎng)方向的情況。
2.3 室溫拉伸性能
在激光輸出功率為1900 W、掃描速度為700mm /min 及送粉量為10g/min 的最佳工藝參數(shù)條件下，激光3D打印制造TC4鈦合金試樣的室溫拉伸性能如表4 所示。 由表4 可知，鈦合金Z 向的拉伸塑性?xún)?yōu)于XY 向; 但其Z 向的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都低于XY 向。 激光3D打印制造TC4鈦合金的強(qiáng)度指標(biāo)均滿(mǎn)足TC4 鍛件國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)( GB /T 25137-2010) 的相關(guān)要求( σ0.2= 828MPa，σb = 895MPa) ，且其Z向塑性指標(biāo)優(yōu)于TC4鍛件國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)( δ = 10%、ψ = 25%) ，而其XY 向塑性指標(biāo)低于TC4 鍛件國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。
激光3D打印制造TC4鈦合金Z 向塑性較好的原因與晶粒的生長(zhǎng)方向和組織形態(tài)有關(guān)［10 － 11］，該方向下晶粒的生長(zhǎng)方向基本垂直于3D打印方向，鈦合金的組織形態(tài)為柱狀晶組織，晶粒與晶粒之間的晶界與拉伸方向平行，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力較小。 XY 向下鈦合金的拉伸方向與晶界垂直，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)困難，因而其塑性降低，強(qiáng)度較高。
2.4 室溫拉伸斷口分析
3D打印層Z 向和XY 向的拉伸試樣斷口形貌如圖7 所示。 由圖7 可見(jiàn)，鈦合金兩個(gè)方向上的斷口均布滿(mǎn)韌窩，呈現(xiàn)典型的塑性斷口形貌。
2.5 顯微硬度
TC4鈦合金3D打印層的硬度分布如圖8 所示。 由圖8 可以計(jì)算得到鈦合金打印層的平均硬度約為342.6 HV。
3、 結(jié)論
通過(guò)以上分析可以得到如下結(jié)論:
1) 激光3D打印制造TC4鈦合金的優(yōu)化工藝參數(shù)為: 激光功率1 900 W、掃描速度700 mm /min、送粉量10g/min。
2) 在優(yōu)化工藝參數(shù)條件下，鈦合金焊態(tài)下的顯微組織由粗大柱狀晶組成，柱狀晶界由先析出棒狀α相組成，晶內(nèi)組織由次析出的大量片層α相、少量片層α魏氏相及短棒狀α相組成。
3) 激光3D打印制造TC4鈦合金Z 向拉伸試件的性能指標(biāo)超越了國(guó)家鍛造標(biāo)準(zhǔn); XY 向強(qiáng)度指標(biāo)超越國(guó)家鍛造標(biāo)準(zhǔn)要求，而塑性指標(biāo)低于國(guó)家鍛造標(biāo)準(zhǔn)要求; Z 和XY 向拉伸試樣斷口形貌均布滿(mǎn)韌窩且均屬于塑性斷裂。
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