熱等靜壓對(duì)SLM工藝TC4合金組織性能的影響

前言

TC4合金作為一種輕質(zhì)高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)材料，因其所具有的優(yōu)異綜合力學(xué)和物理性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。

采用增材制造航空用鈦合金復(fù)雜構(gòu)件，有利于提高生產(chǎn)效率，同時(shí)降低生產(chǎn)成本。

但增材制造產(chǎn)品通常會(huì)存在氣孔、孔洞、疲勞性能不穩(wěn)定等問題，這些都影響了增材制造產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用。

熱等靜壓工藝(HIP)是以惰性氣體為傳壓介質(zhì)，將制品放置到密閉的容器中，在高溫高壓的共同作用下，向制品施加各向同等的壓力，可以減少或消除構(gòu)件內(nèi)部的孔隙，改善制品的力學(xué)性能。

本文采用選區(qū)激光熔化(SLM)工藝得到的鈦合金試樣，研究熱等靜壓工藝對(duì)其組織性能的影響，為熱等靜壓工藝對(duì)增材制造TC4組織性能的影響提供理論依據(jù)。

試驗(yàn)準(zhǔn)備

試件的增材制造過程在德國產(chǎn)選區(qū)激光熔化設(shè)備EOS M280上進(jìn)行，尺寸精度為±0.1 mm。

設(shè)備實(shí)物照片如下圖1所示。

試驗(yàn)采用的TC4鈦合金粉末化學(xué)成分符合AMS4998要求，粉末平均直徑47.62 μm。

為了對(duì)比不同狀態(tài)下的組織和性能，將部分試樣進(jìn)行熱等靜壓(HIP) 或消除應(yīng)力(SR) 處理。

拉伸試驗(yàn)件設(shè)計(jì)按ASTM E8中規(guī)定，如圖2所示，力學(xué)性能在Zwick萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。

試驗(yàn)結(jié)果與討論：

熱等靜壓對(duì)組織的影響

圖3-5 是TC4合金經(jīng)SLM工藝打印后、經(jīng)HIP 處理及消除應(yīng)力和HIP處理后不同狀態(tài)下的金相組織照片。

SLM 態(tài)由原始β晶與快速冷卻形成的針狀α'馬氏體組織組成經(jīng)過HIP 后，β 柱狀晶及針狀α'馬氏體全部分解為交錯(cuò)分布的α+β 網(wǎng)籃組織。

熱等靜壓溫度為950 ℃，在950℃條件下合金處于( α+β) 雙相區(qū)，在150 MPa的壓力下，原始β 晶粒邊界在變形過程中有一定程度破壞，但由于合金變形量不大，仍保留原始的晶粒形態(tài)，僅出現(xiàn)少量分散分布的顆粒狀晶界α。

在D向，HIP 與去應(yīng)力+HIP 的金相組織均為細(xì)長的條狀α片層，但是存在局部區(qū)域α 條的異常長大現(xiàn)象，如圖6( a) 、( b) 所示。

在V 向，HIP 的α 相形貌接近短棒狀，長寬比降低，如圖6( c) 、(d) 所示，去應(yīng)力+HIP 的α相呈條狀。

SEM組織分析

圖7～9 為不同狀態(tài)下TC4的SEM組織，可以看出，熱等靜壓后α相片層寬度約1.5～2μm; 去應(yīng)力后進(jìn)行熱等靜壓的α條寬度約1～1.5 μm。

為定量分析β相體積分?jǐn)?shù)、α 條寬度與熱處理工藝的關(guān)系，采用Image-Pro統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖10 所示。經(jīng)熱等靜壓處理后，在D、H、V 三個(gè)方向的β 相體積分?jǐn)?shù)降低為20%左右，熱等靜壓處理后的α 相板條寬度大于去應(yīng)力+HIP 處理，尤其在V向，HIP 處理的α相板條寬度達(dá)到25 μm 左右，而去應(yīng)力+HIP 處理后的α 相板條寬度約15 μm，這與圖3～5 中的金相圖片保持一致。

熱等靜壓對(duì)力學(xué)性能的影響

對(duì)SLM構(gòu)件而言，熱等靜壓熱處理能減少或消除構(gòu)件內(nèi)部的缺陷，從而提高構(gòu)件的力學(xué)性能和疲勞性能。

為研究熱等靜壓熱處理對(duì)TC4合金力學(xué)性能的影響，設(shè)置了SLM+HIP 與SLM+消除應(yīng)力+HIP 兩組熱處理工藝，對(duì)比研究HIP對(duì)材料力學(xué)性能影響。

對(duì)比表1，可知當(dāng)采用HIP熱處理工藝時(shí)，材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度相較退火去應(yīng)力和固溶時(shí)效熱處理降低明顯，材料的斷后延伸率略有提升。

前述組織結(jié)構(gòu)研究表明熱等靜壓后α相片層寬度較去應(yīng)力及固溶時(shí)效層片寬度明顯增加，因此，材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度會(huì)降低，同時(shí)伴隨延伸率的提升。

對(duì)比增加去應(yīng)力的HIP熱處理發(fā)現(xiàn)，中間增加一道去應(yīng)力處理對(duì)材料力學(xué)性能沒有明顯影響，建議實(shí)際使用中可根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特征選擇是否需要添加中間去應(yīng)力熱處理。

結(jié)論

1) 經(jīng)過HIP 處理后，金相組織中打印態(tài)的原始細(xì)針狀相沿寬度和長度方向迅速長大，在長度方向逐漸被交錯(cuò)的α相截?cái)啵L受到阻礙，而寬度方向繼續(xù)生長，最終生長成為短棒狀的α 相。

2) 對(duì)打印態(tài)的試樣進(jìn)行消除應(yīng)力和HIP 處理，組織中的α 相在長度方向保留消除應(yīng)力態(tài)的形貌，在寬度方向上則略有增加。

3) 經(jīng)過HIP 處理后，試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度會(huì)稍有降低，但延伸率也會(huì)同時(shí)提升。對(duì)比增加去應(yīng)力的HIP處理發(fā)現(xiàn)，中間增加一道去應(yīng)力處理對(duì)材料力學(xué)性能沒有明顯影響。

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