分享：电子束选区熔化成形Ti-6Al-4V合金 不同沉积高度上的组织与性能

摘 要:采用电子束选区熔化技术制备了厚度10mm 的 Ti-6A1-4V 合金板,研究了沿沉积方 向合金的显微组织、拉伸性能和显微硬度的变化。结果表明:合金组织以α集束和α片层交织的网 篮组织为主,底部由于经历多次热循环作用,α片层较顶部的略粗大,初生β晶的宽度随沉积高度 增加而略有增大;合金底部、中部和顶部的屈服强度和抗拉强度呈逐渐升高趋势,但差异不大;不同 沉积高度处的拉伸试样均表现为韧性断裂,断口处存在孔洞和未熔化的球形粉末;合金顶部的平均 硬度(约315HV)略高于底部(约295HV),拉伸后由于应变硬化效应硬度略有提高。

关键词:电子束选区熔化;Ti-6A1-4V 合金;显微组织;拉伸性能;硬度 

中图分类号:TG14 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2022)06-0007-04

0 引 言 

Ti-6Al-4V合金具有较高的比强度,良好的耐腐 蚀性、韧性和可加工性等特点,是目前研究和应用最 为广泛的钛合金之一,已广泛应用于航空航天、生物 医学和汽车工业等领域。电子束选区熔化(electron beamselectivemelting,EBSM)技术是一种利用高能 电子束作为热源[1],通过磁偏转线圈产生变化的磁场 驱使电子束对预铺金属粉末进行快速选区扫描熔化 并层层堆积直接成形零部件的增材制造技术[2],具有 成形件杂质含量低、可精密成形复杂零部件、近净成 形等特点,在成形制备钛合金方面应用前景良好。

显微组织(晶粒大小、相分布、晶界等)决定着材 料的力学性能[3-4]。EBSM 技术具有逐层堆积的特 点,沿沉积方向不同高度的热循环作用有所差异,因 此 EBSM 成形试样的显微组织和力学性能表现出 各向异性。CARROLL 等[5]研究发现,EBSM 成形 Ti-6Al-4V 合金的塑性沿沉积方向和扫描方向各不 相同,但拉伸强度基本相同。TAN 等[6]研究发现, EBSM 成形 Ti-6Al-4V 合金的拉伸性能和加工硬化 指数随沉积高度的改变而改变。SUO 等[7]研究发 现,EBSM 成形 Ti-6Al-4V 合金的沉积态和退火态 试样的拉伸性能均显示出明显的各向异性,扫描方 向的拉伸强度明显高于沉积方向。LIU 等[8]研究 发现,EBSM 成形 Ti-6Al-4V 合金显微组织的梯度 变化导致 合 金 在 不 同 位 置 呈 现 不 同 的 拉 伸 性 能。 ZAEH 等[9]研究发现,EBSM 成形 Ti-6Al-4V 合金 经过拉伸试验后的试样由于应变硬化效应使得硬度 略有提高。目前,关于 EBSM 成形 Ti-6A1-4V 合金 的研究主要集中在不同沉积方向上组织与性能的差 异方面,而关于不同沉积高度下的显微组织和力学 性能以及试样拉伸后的应变硬化程度方面的研究较 少。因此,作者采用 EBSM 技术制备了沉积高度为 10mm 的 Ti-6Al-4V 合金板,研究了沿沉积方向不 同高度下xOz 面和xOy 面上的显微组织、拉伸性 能及显微硬度,并分析了拉伸后的断口形貌和拉伸 引起的应变硬化现象。

1 试样制备与试验方法

试验原料为 Arcam 公司生产的 Ti-6Al-4V 合 金 ELI气雾化粉末,微观形貌见图1,其平均粒径为 50μm,粉末的均匀性及球形度都较好。化学成分 见表1,符合 GB/T3620.1-1994要求。

采用 Arcam A2XX 型电子束选区熔化设备成 形 Ti-6Al-4V 合 金 板 试 样,试 样 尺 寸 为 80 mm× 30mm×10mm。成形前将机箱抽至真空状态,通 入 适 量 氮 气,并 预 热 操 作 平 台[10]。 通 过 Arcam EBM 软件设定扫描路径并在基板上添加高5 mm 的网格支撑,如图2所示,以减弱基板材料对成形试 样的影响,同时方便取下成形试样。成形时沿指定 的扫描路径熔化金属粉末。EBSM 预热参数及成形 过程中的关键参数见表2。

将成形试样的底部xOy 面、顶部xOy 面及xOz 面打 磨、抛 光,采 用 由 8 mL HF、15 mL HNO3、 77mL H2O 组成的试剂腐蚀后,采用 VHX-600型 光学显微镜(OM)和 VEGA3TESACN 型扫描电子 显微镜(SEM)观 察 各 面 的 显 微 组 织 及 微 观 形 貌。 采用 X-PerpPRO 型 X 射线衍射仪(XRD)对试样 底部、中部和顶部进行物相分析,采用铜靶,Kα 射 线,管电压为40kV,管电流为40mA,扫描范围2θ 为30°~90°,扫描速率为5 (°)·min-1。按照 GB/T 3075-2008,采用线切割机在成形件的底部、中部、 顶部分别截取拉伸试样,尺寸如图3所示,拉伸试样 厚度为2 mm,参照 GB/T228-2002,采用 Zwick HB型250kN 电液伺服疲劳试验机进行拉伸试验, 加载速率为0.1kN·s-1,拉伸方向沿x 方向。拉伸 试验结束后采用扫描电镜观察拉伸断口形貌。参照 GB/T4340.1-2009,采用 FM-700e型数显维氏硬 度计测试 拉 伸 前 后 试 样 的 显 微 硬 度,加 载 时 间 为 10s,载荷为1.96N。

2 试验结果与讨论

2.1 显微组织

由图4可知:EBSM 成形 Ti-6Al-4V 合金板试 样顶部及底部xOy 面的显微组织均为 α集束和 α 片层交织的网篮组织;顶部在急热和急冷的情况下, α片层来不及长大便已冷却,而底部受多次循环热 作用,因此底部 α片层较顶部粗大;xOz 面上的显 微组织为沿初生β晶界多种取向生长的α集束和α 片层交织的网篮组织,由于晶界处的形核功较低,α 相沿初生β晶界优先形核生长;初生β晶宽度随着 沉积高度的增加呈现出增大趋势。另外,由于试样 沉积高度仅为10mm,试样在不同沉积高度上的α 片层大小差异较小。

由图5可以看出:EBSM 成形 Ti-6Al-4V 合金 试样的 物 相 类 型 不 随 沉 积 高 度 的 变 化 而 发 生 转 变;从底部到顶部,β相的衍射峰逐渐减小,表明随 着沉积高度的增加,β相含量逐渐降低。在成形过 程中,多次热 循 环 会 使 合 金 结 构 从 非 平 衡 状 态 逐 渐过渡到平 衡 状 态,试 样 底 部 经 受 的 热 循 环 次 数 较多,结构趋于平衡,因此试样底部β相含量较多; 而试样顶部 未 受 后 续 热 循 环,由 熔 池 直 接 冷 却 凝 固形成,冷 却 速 率 较 快,形 成 非 平 衡 组 织,因 此 试 样顶部β相含量较少。

2.2 力学性能与拉伸断口形貌 

由表3可以看出,试样底部、中部和顶部的拉伸 试样屈服强度和抗拉强度依次升高,但相差不大。 根据 Hall-Petc 度的重要因素。h试关样系顶,晶部粒的尺α寸片是层影较响底合部金的屈细服小强, 屈 服强度较底部的略高;由于试样在不同沉积高度 上的显微组织差异较小,试样在不同高度位置的拉 伸性能差异也较小。

由图6可以看出:EBSM 成形 Ti-6Al-4V 合金 试样的拉伸断口均主要由韧窝组成,这表明该合金 的断裂类型为韧性断裂;韧窝底部存在孔洞和未熔 化的球形粉末。在拉伸过程中,孔洞和未熔化的球 形粉末处产生应力集中而萌生裂纹。当裂纹向试样 内部扩展时,孔洞和未熔化的粉末会成为裂纹连接 的节点,最终导致合金发生断裂。 

EBSM 成 形 Ti-6Al-4V 合 金 板 试 样 顶 部 xOy 面的 平 均 硬 度 (约 315 HV)略 高 于 底 部 xOy 面 (约295HV),这是由于顶部xOy 面上α片层厚度 较小,细化的α相使得合金的硬度略有提高;由于 试样高度较 小,不 同 沉 积 高 度 上 的 冷 却 速 率 相 差 不大,α片层厚度差异也不大,使得底部和顶部的 硬度差异较小。在经过拉伸试验后,顶部xOy 面 上的平均 硬 度 升 高 到 约 326 HV,Ti-6Al-4V 合 金 试样经过拉伸后产生了应变硬化使得试样硬度有 所提高,但应变硬化程度并不显著,拉伸前后的硬 度差异较小。

3 结 论

(1)EBSM 成形 Ti-6Al-4V 合金板试样的显微 组织表现为沿初生β晶界多种取向生长的α集束和 α片层交织的网篮组织,初生β晶粒宽度随沉积高 度增加而增大;底部α片层由于多次热循环作用而 变得粗大,顶部α片层较底部细小。

(2)EBSM 成形 Ti-6Al-4V 合金板试样从顶部 到中部和底部其屈服强度和抗拉强度呈逐渐降低 的趋势,但 由 于 高 度 差 较 低,差 异 并 不 显 著;沿 沉 积方向 不 同 高 度 的 拉 伸 断 口 形 貌 均 表 现 为 韧 性 断裂。

(3)EBSM 成 形 Ti-6Al-4V 合 金 板 试 样 顶 部 xOy 面的平均硬度(约 315 HV)略高于底部xOy 面(约295HV);顶部拉伸试样在经过拉伸试验后 由于应变硬化效应,硬度(约326HV)略有提高。

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