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分享:电子束选区熔化成形TC4合金的显微组织及硬度

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浏览:- 发布日期:2022-08-16 15:26:36【

摘 要:采用电子束选区熔化成形技术制备不同尺寸(?8mm×25mm,?25mm×8mm)TC4金试样,研究了2种试样在粉末堆积方向的显微组织及硬度变化结果表明:尺寸?8mm×25mm 试样的显微组织主要由原始β柱状晶界处的针状α集束组织和晶内针状α相互相交错形成的网篮 状魏氏组织组成,原始β穿,残余β弥散α基体中;尺寸?25mm×8mm α',α'受热αβ,α,中条α穿β晶粒形成集束,β相在α基体中呈网状分;针状α相或α'的显微硬度比具有较小长宽比条片状αα'相的硬度

关键词:子束选区熔化;TC4钛合金;;度 

中图分类号:TG146.2 献标志码:A :1000-3738(2022)02-0043-05


0 引 言

钛合金因具有密度小比强度高耐腐蚀性好等 优点而广泛应用于航空航天医疗器械等行业航空航天领域,航天器的轻量化设计和生产已成为 世界航空业发展的趋势,而钛合金质轻而高强的特 可满金硬, 在切易导热量,缩短刀具寿命,而且会严重影响钛合金零件的成形 精度[1]增材制造技术可制备和成形传统制造技术 难加工的材料和零件[2]目前,增材制造领域的研究重点倾向于电子束选区熔化成形(EBSM)技术, 因为电子束作用深度大,相对于激光具有较高的能 量利用率功率密度和材料吸收,,无氧氮等元素污染等问题[3],反复加热和冷却后具有低残余应力的特点[4]束选区熔化成形技术基于离散与堆积的成形原理, 通过计算机将零件模型按一定厚度进行分层和切 ,并离散成二维截面轮廓信息的扫描路径,电子束 在计算机控制的电磁偏转线圈作用下按照二维截面 数据对金属粉体进行逐层熔化堆积,最终得到所需 的三维零件[5]电子束选区熔化成形技术能够成形 结构复杂和性能优异的零件,而且具有加工材料种 类多柔性高可实现无模成形等特点,在航空航天汽车制造和生物医疗器械等领域具有良好的应用 前景[6]目前对电子束选区熔化成形技术的研究主要集 中在工艺 参 数 对 成 形 件 组 织 和 性 能 的 影 响 方 面SCHWERDTFEGER[7]研究发现,较低的扫描速 度可提高电子束的热输入,在电子束电流较低条件 下可消除成形组织出现的孔洞缺陷,提高组织致密 。BAUEREI?[8]研究发现,成形件组密性 随着电子束功率增加而提高。WANG [9],在电子束扫描速度为 214~689 mm·s-1 范 围 ,电子束选区熔化成形 TC4钛合金的弹性模量和 硬度与电子束扫描速度成正比徐蔚等[10]研究发 ,在电子束选区熔化成形 Ti-6Al-4V 合金显微组 织中相体积分数随着熔覆面积的增加逐渐增加, 尺寸明显粗化,成形件的硬度在368~450 HV,且随着熔覆面积的增加而增大

目前,有关电子束 选区熔化技术制备不同形状试样沿粉末堆积方向显 微组织 和 硬 度 的 对 比 研 究 鲜 有 报 道作 者 采 用 Arcam Q10型电子束选区熔化成形设备制备了不 同尺寸圆柱体 TC4合金试样,对比分析了不同试样 在粉末堆积方向的组织演变和显微硬度。 

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1 试样制备与试验方法 

试验材料为球形 TC4合金粉末,粉末的粒径范 围为25~100μm,其化学成分如表1所示基板为 316L不锈钢板,尺寸为80mm×80mm×10mm。 成形前将基板预热至700℃,以提高粉末层黏性,止粉末溃散预热完成后采用 Arcam Q10型真空 电子束增材制造设备在真空环境中制备尺寸分别为 ?8mm×25mm、?25mm×8mm 2种圆柱体试 (分别记作试样1和试样2),电子束以弓字方式 扫描,,90°[11],使邻两线,15~28mA,4530mm·s-1,电流 32mA,60μm。 

沿14,2沿(方向)截取直径为8mm 的圆柱体试样,并将该圆柱 中部3,1PANalyticalXpert'PRO X 射线衍射仪(XRD)进行物,,Kα线,扫描速率为4(°)·min-1,扫描范围为10°~100°。 试样经打磨抛光,Kroll试剂(HF、HNO3H2O 的体积比为1∶2∶50)腐蚀8s,采用 KEYENCE Z100深光HitachiS-3400N (SEM)HXD-1000TMC/LCD对硬度进 ,0.98N,15s

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2 试验结果与讨论 

2.1 物相组成 

TC4α+β双相钛合金,α-Ti的晶体结 构为,β-Ti,Burgers关系由图2,TC4合金试样均α-Tiβ-Ti, 试样1底部组织中β-Ti束选区熔化是一个急,β,针状 α'马氏,,α'氏体α+β试样底部经历了次数较多的热循环过,同时在基板的预热作用下更多的α'相分解为α 相和β,因此β-Ti相衍射峰强度增加

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2.2 显微组织

由图3可以看出:试样1轴向显微组织中原始 β穿,,增大而升高,温度梯度的方向平行于粉末堆积方向, 满足柱状晶的生长条件,在凝固过程中固液界面以 近平面状的方式沿粉末堆积方向推进形成定向生长 β;部组β状晶存在,β出的针状α相以相同位向且相互平行形成,同时部分针状α相在晶内互相交织,形成网篮 状魏氏组织;试样1底部贴近基板,基板的保温作用 导致β的原,使得原β 柱状晶粗化,β晶的晶界,而只能看到柱状晶内部的网篮状魏;试样1顶部冷却速率较大,合金发生非平衡凝固 形成的βα',未经历后'体得,α'宽比较大由图4可以看出,试样1顶部针状α'氏体晶界处析出细小的β,以不同位向相互交错 的细长杆状和点状β1 上部和下部组织中存αβ β稳定元素的影响而长大,α,α长度缩短试样1底部经历热循环作用,时在基板的保温作用下,冷却速率较 ,部分针状 α 相在长度方向上相互融合,长宽比 较大。 

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由图5可以看出,试样2无法观察到原始β状晶,底部组织趋于晶粒状试样顶部面积较大直接与真空环境接触,冷却速率较大,合金发生非平 衡凝固,因此顶部组织为大量致密细小的针状α'氏体由于试样2高度小,基板的保温作用导致试 的纵β相形成定向生柱状,于以胞状组织的形推进试样中部的冷却速率较小,针状α'马氏体受 热分αβ,α,集束态分作用下,试样底部的温度梯度较小相晶核只能在 原 始β晶界上形成,随后晶核以相同的位向往晶内 生长,并在原始βα,β/α/β,α穿β粒形α,由图6可以看出,试样2底部组织的α相片层间存 在长杆状残余β,β相呈连续网状分布

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2.3 硬 度 

由图7可以看出:试样1顶部和底部的显微硬 度较大,最大硬度出现在顶部,406.7HV,试样1 的平均硬度为354.33 HV;2距基板距离的增大而,333.92HV, 略 低于试样1。α'相或α相的形态和尺寸对钛合金的显微硬度有一定的影响;在施加应力条件下,α' 相或α相间发生滑移,在滑移过程中,α'相或α的长宽比及其长度较大时,与相邻α'相或α相之间 滑移的路径更大,需要消耗,力更 ,从而导致显微硬度更高[12]1α' 相和底部针状α相的长宽比大于上部与下部α, 因此顶部和底部的硬度高于上部与下部从试样2 顶部到底部,α'/α相由针状变为条状和片状,其宽 度逐渐 增 加,导 致 相 尺 寸 及 其 间 距 变 大,塑 性 增 [13],因此该试样在粉末堆积方向的显微硬度逐渐 降低;试样2底部组织趋于晶粒态,形成α相集束, 其塑性变形能力较好[14],因此最低显微硬度出现在 底部

3 结 论 

(1)电子束选区熔化成形尺寸?8mm×25mm TC4合金试样的显微组织主要由原β柱状晶的针状α集束组织和柱状晶内的针状α相互错形 成的网篮状魏氏组织组成,原始β主轴于堆积方向并且贯穿各熔合层,βα相基体中

(2)尺寸为为?25mm×8mm 试样的顶部组 织由大量致密细小的针状α'相组成,中部组织中针 α'相分解为α相和β相宽度较大,部组中条状α相贯穿β晶粒形成集束,且不同晶中集 束的取向不同;残余β相在α相基体中呈连续网状 薄层分布

(3)尺寸?8mm×25mm 试样的平均硬度为 354.33HV,具有较大长宽比针状 α'相的顶部和 α 相的底部的显微硬度大于具有较小长宽比针状α的上部与下部显微硬度;尺寸?25mm×8mm 试样 的平均硬度为333.92 HV,从顶部到底部α相由针 状变为条状和片状,长宽比减小,显微硬度降低


参考文献

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