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3D打印鈦合金的制備與組織性能研究

發布時間:2024-07-13 09:58:43 瀏覽次數 :

Ti-4Al-3V(TC4)鈦合金是一種中等強度的兩相鈦合金,具有強度高、密度低、耐腐蝕性能良好等 特點[1],在航空航天、船舶等領域有著廣泛應用。隨著現代航空航天等領域在高載荷、高燃燒效率等方 面需求的提高,鈦合金需要具有更高的硬度、強度、抗蠕變性能等以滿足使用需求[2-3]。目前鑄態和鍛 態的鈦合金在抗拉強度、強塑性能等方面與航空航天等領域的應用需求仍然有差距[4],而采用3D打印即 快速成型技術可以實現鈦基復合材料的加工,該技術以數字模型文件為基礎,運用金屬粉末等可粘合材料在 激光熱輸入作用下逐層打印來獲取所需要的成形件[5-6],具有生產效率高、制造靈活以及可打印復雜形 狀零部件等的優點,在現代航空航天、船舶等領域有著良好應用前景[7]。在此基礎上,本文嘗試性采用 3D打印技術制備了不同C含量(質量分數)的Ti-4Al-3V-xC鈦合金(x=0, 0.12,0.23,0.39和0.62),對比分析了不同C含量鈦合金的顯微組織、硬度、蠕變性能和拉伸性能 ,結果將有助于高綜合性能的鈦合金復合材料的開發,并推動其在更廣泛領域的應用。

1、試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗原料為粒徑125μm的Ti-4Al-3V(TC4)鈦合金粉末、粒徑60μm的C粉,純度都為99.8%。

1.2 制備方法

為了制備不同C含量的Ti-4Al-3V-xC鈦合金(x=0,0.12,0.23,0.39和0.62, 質量分數,下同),按成分配置將粉末置于行星球磨機中,以350r/min速度混合均勻后噴入氣溶膠 (體積分數2.8%的聚乙烯醇)繼續攪拌15min,得到混合粉末預聚體[8]。分別采用YAG激光器 和CO2激光器3D打印鈦合金(激光立體成形),其中,YAG激光器的功率為1kW、脈寬7ms、頻 率15Hz、光斑直徑1mm、掃描速度3mm/s、載氣流量6L/min、送粉量4g/min,CO2激光器的功率為 1.5kW、光斑直徑2mm、掃描速度10mm/s、載氣流量6L/min、送粉量4g/min。

1.3 測試方法

采用線切割方法切割塊狀試樣,磨拋和Kroll試劑腐蝕后采用JEOL JSM-6400型掃描電鏡 觀察顯微形貌并用能譜儀測試成分;使用DUH-222B型納米壓痕儀測試納米硬度,加載載荷和速率分別 為1.96mN和45mN/s,保壓時間控制在40s,分別得到硬度、彈性模量、蠕變等結果[9];拉伸性 能使用納克GNT300電子拉伸試驗機進行測試,溫度為室溫,結果取6根試樣平均值,拉伸速率為1mm /min。

2、試驗結果與分析

圖1為不同制備工藝下激光3D打印Ti-4Al-3V-0.62C鈦合金的顯微組織。對比分析可知,采用YA G激光器和CO2激光器3D打印鈦合金的顯微組織存在明顯差異,雖然在凝固后纖維組織中都存在亮白色 的TiC顆粒,但是TiC顆粒的尺寸、分布和面積分數都不同。

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其中,采用YAG激光器3D打印鈦合金中的TiC顆粒尺寸細小、分布均勻,而CO2激光器3D打 印鈦合金中的TiC顆粒尺寸較大、數量較小。整體而言,采用YAG激光器3D打印鈦合金中的TiC顆粒尺寸和分布符合預期要求[10],后續主要采用YAG激光器3D打印。

圖2為激光3D打印鈦合金的載荷-位移曲線和力學性能,分別列出了C含量為0.12%、0.23%、 0.39%和0.62%時鈦合金的載荷-位移曲線、硬度和彈性模量。從圖2(a)的載荷-位移曲線可知,隨著 鈦合金中C含量增加,納米壓痕深度逐漸減小,且含C的鈦合金的納米壓痕深度都小于不含C的鈦合金, 由此可見,在鈦合金中加入C有助于減小納米壓痕深度。從圖2(b)的硬度和彈性模量測試結果看,添加C 的鈦合金的硬度和彈性模量都高于未添加C的鈦合金,且隨著C含量從0.12%增加至0.62%,含C 鈦合金的硬度和彈性模量逐漸增加,在C含量為0.62%時,含C鈦合金的硬度從2.72GPa增加至4.28G Pa,彈性模量從70.3GPa增加至100.9GPa,這主要是因為在鈦合金中加入C可以起到固溶強化和 析出強化作用[11-12],且C含量越高則3D打印鈦合金中TiC的析出量會越多,第二相強化作用愈發 顯著,硬度提升的同時彈性模量增大[13]。

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 圖3為激光3D打印鈦合金的蠕變性能測試結果,分別列出了荷載-位移、蠕變深度-保壓時間和蠕 變速率-保壓時間曲線。從圖3(a)的荷載-位移曲線可知,含C的鈦合金的蠕變深度都小于不含C的 鈦合金,且隨著C含量增加,蠕變深度呈現逐漸減小趨勢,可見在鈦合金中加入C可以一定程度上提升其抗 蠕變性能;從圖3(b)的蠕變深度-保壓時間曲線可知,隨著保壓時間的延長,不同C含量的鈦合金的蠕 變深度都呈現逐漸增加的趨勢,但是在相同保壓時間下,含C鈦合金的蠕變深度都小于不含C鈦合金,且C 含量越高則鈦合金的蠕變深度越小。從圖3(c)的蠕變速率-保壓時間曲線可知,隨著保壓時間的延長 ,不同C含量的鈦合金的蠕變速率都呈現逐漸減小的趨勢,在相同保壓時間下,不含C鈦合金的蠕變速率 最大。整體而言,在鈦合金中加入C可以有助于材料抗蠕變性能提升。

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 圖3為激光3D打印鈦合金的蠕變性能測試結果,分別列出了荷載-位移、蠕變深度-保壓時間和蠕 變速率-保壓時間曲線。從圖3(a)的荷載-位移曲線可知,含C的鈦合金的蠕變深度都小于不含C的 鈦合金,且隨著C含量增加,蠕變深度呈現逐漸減小趨勢,可見在鈦合金中加入C可以一定程度上提升其抗 蠕變性能;從圖3(b)的蠕變深度-保壓時間曲線可知,隨著保壓時間的延長,不同C含量的鈦合金的蠕 變深度都呈現逐漸增加的趨勢,但是在相同保壓時間下,含C鈦合金的蠕變深度都小于不含C鈦合金,且C 含量越高則鈦合金的蠕變深度越小。從圖3(c)的蠕變速率-保壓時間曲線可知,隨著保壓時間的延長 ,不同C含量的鈦合金的蠕變速率都呈現逐漸減小的趨勢,在相同保壓時間下,不含C鈦合金的蠕變速率 最大。整體而言,在鈦合金中加入C可以有助于材料抗蠕變性能提升。

合金的位錯密度都高于不含C鈦合金,且含C鈦合金的位錯密度隨著C含量增加逐漸增大,在C含量 為0.62%時達到最大值(9.21×1012cm-2)。這主要是因為隨著C含量增加,鈦合金的硬度最大, 壓頭壓入過程中形成的加工硬化效果愈發顯著[14],塑性變形過程中位錯會不斷增殖而使得位錯密度升高 。但是鈦合金中C含量并不是越高越好,如果C含量過高,硬度增加的同時會一定程度上影響塑性和韌性,因此,需要找到合適的C添加量以實現良好的強塑性和韌性結合。

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圖5為激光3D打印鈦合金的拉伸性能測試結果。從圖5(a)的應力-應變曲線可知,含C和不含C 鈦合金的應力-應變曲線都較為相似,都存在彈性變形、屈服和強化階段,斷裂時不含C的鈦合金應變最 大,而C含量越高則鈦合金斷裂時的應變越小,相應地塑性越差;從圖5(b)的強度和斷后伸長率測 試結果可知,含C鈦合金的抗拉強度和屈服強度都高于不含C鈦合金,而斷后伸長率都低于不含C鈦合金 ,尤其是當C含量增加至0.39%及以上時,含C鈦合金的斷后伸長率下降較為明顯。當C含量為0.23% 時,3D打印鈦合金的抗拉強度、屈服強度和斷后伸長率分別為1 078MPa、921MPa和11.6%,高 于鑄造TC4鈦合金(抗拉強度≥860MPa、屈服強度≥758MPa、斷后伸長率≥8%)和鍛態 TC4鈦合金(抗拉強度≥930MPa、屈服強度≥860MPa、斷后伸長率≥10%),具有相對較好的 綜合性能。

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 圖6為激光3D打印Ti-4Al-3V-0.23C鈦合金的顯微組織。可見,在鈦合金內部存在不規則形 狀的棒狀或者片狀析出物,能譜分析表明其主要含有Ti和C元素,結合文獻可知,這些不規則形狀的 析出物為TiC,在鈦合金中可以起到顆粒增強作用,但是較大尺寸的TiC會形成裂紋源而降低塑性 。結合前述的測試結果可知,在鈦合金中加入C,其中一部分C會以固溶形式存在并起到固溶強化作用 ,而另一部分C則會與Ti發生反應而形成形狀不規則的TiC,細小彌散的顆粒狀TiC可以起 到顆粒強化作用,而較大尺寸的TiC則會產生應力集中并萌生裂紋而降低塑性和韌性。

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3、結論

1)隨著鈦合金中C含量增加,納米壓痕深度逐漸減小,且含C的鈦合金的納米壓痕深度都小于不含 C的鈦合金,由此可見,在鈦合金中加入C有助于減小納米壓痕深度。

2)含C鈦合金的位錯密度都高于不含C鈦合金,且含C鈦合金的位錯密度會隨著C含量升高而逐漸增 大,在C含量為0.62%時位錯密度達到9.21×1012cm-2。

3)含C鈦合金的抗拉強度和屈服強度都高于不含C鈦合金,而斷后伸長率都低于不含C鈦合金, 尤其是當C含量增加至0.39%及以上時,含C鈦合金的斷后伸長率下降較為明顯。當C含量為0.23%時, 3D打印鈦合金的抗拉強度、屈服強度和斷后伸長率分別為1 078MPa、921MPa和11.6%。

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