摘 要:通過熱處理試驗、金相檢驗、掃描電鏡觀察、X射線衍射分析和硬度測試,分析了熱處理 溫度對選擇性激光熔化 TC4鈦合金板不同成形面的相組成、顯微組織和硬度的影響。結(jié)果表明: 隨熱處理溫度由750℃升高至950℃,選擇性激光熔化 TC4鈦合金板頂面和側(cè)面的針狀馬氏體α' 相不斷減少;當熱處理溫度為850 ℃時,針狀α'相完全轉(zhuǎn)變?yōu)棣?β相,當熱處理溫度(950 ℃)超過 α相轉(zhuǎn)變溫度時,β相含量升高;鈦合金板頂面基本沒有柱狀β相,形成了等軸狀β相,其側(cè)面仍存 在柱狀β相;鈦合金板頂面和側(cè)面的硬度隨著溫度的升高呈先減小后增大的趨勢。
關(guān)鍵詞:選擇性激光熔化;TC4鈦合金;熱處理;顯微組織;硬度
中圖分類號:TG166.5 文獻標志碼:A 文章編號:1001-4012(2022)03-0001-05
Ti-6Al-4V 鈦合金又稱 TC4鈦合金,是典型的 α+β相鈦合金,具有高強度、低密度、高斷裂韌度、 優(yōu)異的耐腐蝕性能和生物相容性[1-2],被廣泛用于航 空航天、船舶、汽車、能源、醫(yī)療、化工和生物醫(yī)藥等 行業(yè)[3]。選擇性激光熔化(SelectiveLaserMelting, SLM)技術(shù)作 為 一 種 典 型 的 基 于 計 算 機 輔 助 設(shè) 計(ComputerAidedDesign,CAD)模型制造零件的激 光增材制造技術(shù),為一些制造企業(yè)提供了一系列市 場競爭優(yōu)勢,包括無需模具和工具的近凈成形生產(chǎn)、 高的材料利用效率和水平靈活性[4-6]。SLM 技術(shù)中 的激光打印技術(shù)具有較高的溫度梯度和較快的冷卻 速率,是生產(chǎn)形狀復雜的 TC4鈦合金零件最有應用 前景的附加制造技術(shù)之一。采用 SLM 技術(shù)生產(chǎn)的 TC4鈦合金的典型組織為柱狀β晶粒、超細非平衡 亞穩(wěn)馬氏體α'相和大量位錯,這種組織不同于常規(guī) 退火和鍛造后得到的等軸狀α相+晶間β相,超細 晶粒尺寸和大量位錯的存在使材料硬度和強度更 高,非平衡亞穩(wěn)α'相對材料的延展性和抗疲勞性能 不利,所以其拉伸性能始終表現(xiàn)為高強度(抗拉強度 極限可達1320MPa [7])、低塑性(塑性應變?yōu)?%~ 7% [8-9])。采用 SLM 技術(shù)生產(chǎn)的成形件,其斷后伸 長率較低,且殘余應力較大[10-11],需對其進行熱處 理。通常各種形變熱處理不能改變或控制鈦合金的 顯微組織,而熱處理是改善鈦合金的顯微組織、提高 其力學性能的唯一途徑[12]。
目前,關(guān)于熱處理對選擇性激光熔化 TC4鈦合 金性能影響的研究較多,SU 等[13]通過試驗證明了 850 ℃熱處理+水淬、850 ℃熱處理+550 ℃固溶處 理和熱等靜壓工藝都可提高選擇性激光熔化 TC4 鈦合金的拉伸性能和疲勞性能。YAN 等[14]通過試 驗證明了熱處理對選擇性激光熔化 TC4鈦合金的 相變和硬度均會產(chǎn)生影響。李笑等[15]研究了冷卻方 式、時效溫度、時效時間、固溶溫度對選擇性激光熔化 TC4鈦合金室溫塑性的影響,結(jié)果表明固溶后的冷卻 方式影響最大,其次是時效溫度。然而,現(xiàn)有報道都 只對試樣的一個平面(側(cè)面)進行了研究,未考慮選擇 性激光熔化 TC4鈦合金板材有兩個成形面。
根據(jù)現(xiàn)有研究,并考慮α相轉(zhuǎn)變溫度,筆者研究 了不同熱處理溫度對選擇性激光熔化 TC4鈦合金 板不同成形面的顯微組織和性能的影響,以期為選 擇性激光熔化 TC4鈦合金的發(fā)展與應用提供理論 依據(jù)。
1 試驗材料與方法
1.1 試驗材料
試驗材料為球形 TC4鈦合金粉末,采用氣相霧 化法,按表1所示的成形工藝參數(shù)和圖1所示的打印 方案,采用逐層旋轉(zhuǎn)67°掃描策略,以 XY 軸為底向Z 軸打印,打印出來的 TC4鈦合金板如圖2所示。
1.2 試驗方法
利用線切割機,在圖2所示板材右邊區(qū)域截取 尺寸為20mm×20mm×8mm 的小塊,再將其均 分成16個塊狀試樣,切割時對試樣頂面和側(cè)面進行 標記,頂面為 XOY 面,側(cè)面為 XOZ 面。在16個塊 狀試樣中選取側(cè)面試樣和頂面試樣各4個,將其分 成4組,每組包含一個頂面試樣和一個側(cè)面試樣,其 中1組作為原始試樣,其他3組按照表2所示的工 藝參數(shù)進行熱處理。
熱處理后,將試樣進行鑲嵌、打磨、拋光后,采用 HNO3,HF,H2O按體積比為10∶5∶85混合的溶液腐 蝕25s,然后用光學顯微鏡和掃描電鏡(SEM)進行微 觀形貌觀察,用 X射線衍射儀(XRD)分析其相組成。
采用維氏顯微硬度計,對熱處理后的選擇性激 光熔化 TC4鈦合金板試樣進行硬度測試,每個試樣 選取20個測試點,取其平均值。
2 試驗結(jié)果與討論
2.1 相組成
如圖3所示:α相和α'相晶體結(jié)構(gòu)相同,衍射峰 的位置也相同,所以原始試樣中的α相和α'相的所 有衍射峰都可以標記為α'相[16] ;與原始試樣中的β 相衍射峰相比,頂面試樣的β相衍射峰隨熱處理溫 度上升的提高程度并不明顯,當熱處理溫度上升至 950 ℃時,其β相衍射峰提高較多,表明頂面試樣中 的β相含量升高。側(cè)面試樣 XRD 譜的變化規(guī)律與 頂面試樣的相同;在不同熱處理溫度條件下,頂面和 側(cè)面試樣的衍射峰高度相差不大。
2.2 微觀組織
由圖4和圖5可見:原始頂面試樣中存在柱狀 β相,晶內(nèi)存在大量的針狀馬氏體 α'相。隨著熱處 理溫度的升高,頂面試樣晶粒逐漸粗化,β晶粒逐漸 減少;原始頂面試樣表面呈棋盤形貌,這是67°填充 角在相鄰層之間產(chǎn)生相互交叉的掃描路徑形成的, 柱狀晶粒中有超細的分層針狀馬氏體α'相,大多數(shù) 馬氏體α'相長軸取向約為±45°,原因是α,β兩相之 間存在嚴格的伯格斯取向關(guān)系,即(0001)α// {110}β 和<1120>α// <111>β [11] ;經(jīng)750 ℃/2h+空冷處 理后,與原始試樣相比,頂面試樣的晶粒尺寸沒有明 顯變化,柱狀β相晶界內(nèi)的一部分針狀α'相轉(zhuǎn)變?yōu)閷? 狀α相,由 此 判 斷 該 組 織 為 魏 氏 組 織;經(jīng) 850 ℃/ 2h+空冷處理后,頂面試樣晶粒粗化,仍可見柱狀β 晶,針狀α'相完全轉(zhuǎn)變?yōu)閷訝瞀料嗪挺孪?β晶粒呈小 塊狀,且層狀α相仍在先前的柱狀β相晶內(nèi),由此判 斷該組織為網(wǎng)籃組織;經(jīng)950 ℃/2h+空冷處理后, 頂面試樣晶粒明顯粗化,形成了球狀α相,基本看不 到柱狀β相,β晶粒聚集、長大,變?yōu)榧毎魻?形成層狀 β相本轉(zhuǎn)變組織,由此判斷該組織為雙態(tài)組織。
由圖6和圖7可見:側(cè)面試樣的掃描痕跡比頂 面試樣的深,柱狀β相更加清晰;隨著熱處理溫度的 升高,側(cè)面試樣的晶粒逐漸粗化,柱狀β相晶界逐漸 模糊,這與頂面試樣的變化規(guī)律相同;在不同熱處理 溫度條件下,側(cè)面試樣均存在柱狀β相,這與頂面試 樣不同。
2.3 硬度測試
由圖8可見:原始頂面試樣和原始側(cè)面試樣的硬 度平均值分別為320HV 和317HV;隨著熱處理溫 度的升高,頂面試樣的硬度從308HV(750 ℃)下降 至291HV(850℃),然后又上升至309HV(950℃); 側(cè)面試樣的硬度變化規(guī)律與頂面試樣的相同,其硬度 從311HV(750℃)下降至297HV(850 ℃),然后又 上升至303HV(950℃)。由 XRD和SEM 分析結(jié)果 可知:在750~850℃熱處理時,試樣主要發(fā)生α'相向 α相的轉(zhuǎn)變,α'相為過飽和固溶體,其硬度顯著高于α 相的硬度;頂面和側(cè)面試樣中均含有大量針狀馬氏體 α'相,經(jīng)750℃/2h+空冷處理后,α'相轉(zhuǎn)變?yōu)棣料?試樣的硬度降低;經(jīng)850 ℃/2h+空冷處理后,針狀α' 相全部轉(zhuǎn)化為α相和β相,其組織以層狀α相和小塊 狀β相為主,試樣硬度降低;經(jīng)950℃/2h+空冷處 理后,頂面和側(cè)面試樣硬度升高,原因是該熱處理溫 度超過了α相的轉(zhuǎn)變溫度(882℃),發(fā)生了再結(jié)晶,形 成球狀α相和層狀β相轉(zhuǎn)變組織。與球狀α相相比, 層狀α相的存在會使鈦合金的斷后伸長率降低,層狀 β相中有較多相互交錯排列且細小的次生α相,相界 面阻礙滑移的進行,鈦合金變形困難,在雙態(tài)組織中 層狀β相含量較高,導致鈦合金硬度升高。
3 結(jié)論
(1)隨著熱處理溫度的升高,選擇性激光熔化 TC4鈦合金板頂面和側(cè)面的針狀馬氏體 α'相不斷 減少,當熱處理溫度為850℃時,針狀α'相完全轉(zhuǎn)變 為α相和β相,當熱處理溫度(950 ℃)超過α相轉(zhuǎn) 變溫度時,β相含量升高。在950 ℃熱處理后,選擇 性激光熔化 TC4鈦合金板頂面基本沒有柱狀β相, 且形成了等軸狀β相,其側(cè)面仍存在柱狀β相。
(2)未經(jīng)熱處理的選擇性激光熔化 TC4鈦合金 板的硬度最大,其頂面和側(cè)面的硬度分別為320HV 和317HV。經(jīng)過不同溫度熱處理的鈦合金板,其頂 面和側(cè)面的硬度隨著溫度的升高呈先減小后增大的 趨勢。鈦合金板頂面的硬度從308HV(750℃)下降 至291HV(850℃),然后又上升至309HV(950℃), 其側(cè) 面 的 硬 度 從 311HV(750 ℃)下 降 至 297 HV (850℃),然后又上升至303HV(950℃)。
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