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TC4合金选区激光熔化(SLM)成形的微观组织及性能研究

黄建国  
【摘要】:选区激光熔化技术(Selective Laser Melting,SLM)是近年来最热门的近净成形方法之一,这种方法能直接利用金属粉末成形零件,材料利用率很高,且适用于具有复杂型腔的零部件。本文以Ti6Al4V(TC4)粉末为实验材料,研究了选区激光熔化成形TC4合金的工艺参数及力学性能,并探讨了工艺参数及热处理工艺对SLM成形TC4钛合金的致密度、显微组织及力学性能的影响,研究内容及主要结论如下:通过研究选区激光熔化成形过程中主要工艺参数(激光功率、扫描速度、扫描间距和铺粉厚度)对SLM成形TC4合金试样的成形质量、微观形貌、力学性能等方面的影响,确定了选区激光熔化过程中SLM成形TC4合金试样的较好的工艺成形域为:激光功率400W,扫描速度区间1800mm/s~2200mm/s,扫描间距0.07mm,铺粉厚度0.05mm。在该工艺成形域范围内,SLM成形TC4合金试样致密度可达99.5%。结果表明,在一定范围内试样的致密度及力学性能均随着工艺参数的增大而呈现先升高后降低的趋势。在已优化的工艺参数条件下,研究不同能量密度对SLM成形TC4合金试样不同摆放方向上致密度及微观形貌的影响,并进行常温拉伸试验研究其力学性能。结果表明,当能量密度为57J/mm~3时,x方向上SLM成形TC4合金试样的拉伸强度、屈服强度均达到最大值,分别为1210MPa、1128MPa,此时延伸率为2.16%;而y方向上试样拉伸强度、屈服强度分别为1190MPa、1107MPa,此时延伸率为2.05%。随着能量密度的逐渐增大,合金试样容易出现球化、过熔等缺陷,从而降低了合金试样的性能。还通过改变各工艺参数,探讨了等能量密度(50J/mm3)条件下,SLM成形TC4合金试样性能之间的关系。结果发现,激光能量密度相同时,因其工艺参数组合不同,试样的质量与性能相差较大。研究了不同热处理工艺对SLM成形TC4合金试样的显微组织、物相分布和力学性能等的影响。在800℃、850℃和900℃退火温度下保温2h,研究发现,经过退火处理后,马氏体ɑ'相发生分解,而随着退火温度升高,试样组织中ɑ'相分解成条状α相的宽度逐渐减小。在800℃/2h退火后,部分马氏体ɑ'相分解形成细小分散的(α+β)相,提高了TC4钛合金试样的硬度和强度。随着退火温度的升高,合金试样的硬度和强度呈逐渐降低的趋势,而试样延伸率却有所提高。随退火温度的升高TC4合金试样的残余应力呈逐渐升高的趋势,在800℃/2h退火条件下,其残余应力最低,其值为43MPa。SLM成形TC4合金试样经固溶时效热处理后并未出现等轴的ɑ相,随固溶温度升高,时效处理后ɑ相的宽度逐渐增加。随着固溶温度的升高,合金试样的强度和硬度先升高后降低,达到了一定强化作用。在960℃/1h+560℃/4h固溶时效条件下,合金试样的拉伸强度和屈服强度达到最大值分别为1314MPa和1221MPa,此时延伸率为2.3%。对比不同热处理条件下试样的组织和室温拉伸性能可知,800℃/2h退火工艺为最佳热处理工艺,成形试样拉伸强度可达到1349MPa,延伸率达2.5%。本文通过对SLM成形TC4合金的工艺及性能的研究,成功制备出了高质量、高性能的TC4合金试样,揭示了工艺参数及热处理工艺对SLM成形TC4合金试样组织形貌及力学性能的影响规律,为TC4合金粉末的选区激光熔化快速成形工业应用提供了一定的技术依据和理论基础。


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