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        退火熱處理對(duì)TA17鈦合金激光選區(qū)熔化成形件的力學(xué)性能影響研究

        2021-09-10 19:04:04伍建文蘆麗莉陶濤黃衛(wèi)東
        電焊機(jī) 2021年1期
        關(guān)鍵詞:力學(xué)性能

        伍建文 蘆麗莉 陶濤 黃衛(wèi)東

        摘要:針對(duì)TA17鈦合金激光選區(qū)熔化成形(SLM)試驗(yàn)件高強(qiáng)度、低塑性的問(wèn)題,開(kāi)展不同溫度、冷卻方式下的退火熱處理工藝研究,通過(guò)研究退火熱處理前后試件的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果,分析退火熱處理工藝對(duì)TA17鈦合金SLM試件力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明:經(jīng)過(guò)900~950 ℃真空保溫2 h后空冷的退火熱處理,SLM試件的強(qiáng)度降低,塑性與韌性得到明顯提高,整體力學(xué)性能較均衡,滿(mǎn)足技術(shù)要求。

        關(guān)鍵詞:TA17鈦合金;激光選區(qū)熔化成形;退火熱處理;力學(xué)性能

        中圖分類(lèi)號(hào):TG457.1? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A? ? ? ? ?文章編號(hào):1001-2003(2021)01-0111-04

        DOI:10.7512/j.issn.1001-2303.2021.01.18

        0? ? 前言

        激光選區(qū)熔化成形(selective laser melting,SLM)技術(shù)是以原型制造技術(shù)為基本原理發(fā)展起來(lái)的一種先進(jìn)的激光增材制造技術(shù)。通過(guò)專(zhuān)用軟件對(duì)零件三維數(shù)模進(jìn)行切片分層,獲得各截面的輪廓數(shù)據(jù)后,利用高能量激光束根據(jù)輪廓數(shù)據(jù)層選擇性地熔化金屬粉末,通過(guò)逐層鋪粉、逐層熔化凝固堆積的方式,制造三維實(shí)體零件。SLM技術(shù)可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)工藝如鍛造、鑄造、焊接等無(wú)法制造的內(nèi)部有異形復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高精度、短流程零件的制造,而且成形零件的性能滿(mǎn)足工程使用要求。

        鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、可焊性強(qiáng)等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生、核動(dòng)力行業(yè)等領(lǐng)域[1]。TA17是一種我國(guó)基于前蘇聯(lián)牌號(hào)IIT-3B合金研制的鈦合金材料[2]。由于鈦合金本身所具有的高熔點(diǎn)、高熔融態(tài)活性以及大的變形抗力等特點(diǎn),使得鈦合金從原材料到零件制備成形的成本及難度大大提高,且產(chǎn)量低,周期長(zhǎng)。SLM制造鈦合金具有加工周期短、制造成本低、高柔性化、高強(qiáng)度等特點(diǎn),在航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生等多個(gè)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域受到越來(lái)越高的重視[3]。

        相關(guān)研究表明,SLM成形件強(qiáng)度高、塑性差,需要熱處理方式進(jìn)一步提高成形件的綜合力學(xué)性能,若要達(dá)到工程應(yīng)用,需提高材料塑性,改善材料性能[4]。文中針對(duì)該問(wèn)題,開(kāi)展不同溫度、冷卻方式下的退火熱處理工藝研究,通過(guò)研究退火熱處理前后試驗(yàn)件的力學(xué)性能數(shù)據(jù),分析退火熱處理工藝對(duì)TA17鈦合金SLM試驗(yàn)件的影響,獲得改善材料性能的最優(yōu)熱處理工藝。

        1 研究對(duì)象

        開(kāi)展TA17鈦合金激光選區(qū)熔化成形工藝試驗(yàn),獲得了TA17鈦合金SLM試驗(yàn)件。試驗(yàn)采用德國(guó)EOS M400金屬快速成形機(jī)。設(shè)備包含冷卻系統(tǒng)、循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)、成型系統(tǒng)、氣體保護(hù)系統(tǒng)等多個(gè)系統(tǒng),成形艙成型尺寸為400 mm×400 mm×400 mm,激光功率≥1 000 W。試驗(yàn)采用橫向雙向鋪粉,通過(guò)振鏡調(diào)節(jié)激光束掃描成形艙基板每一個(gè)零件的斷層輪廓,逐層疊加最終成形整個(gè)零件。

        對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行了橫向(XY)/縱向(YZ/XZ)的室溫拉伸、高溫拉伸、沖擊試驗(yàn)測(cè)試,結(jié)果如表1、表2所示。國(guó)內(nèi)對(duì)TA17的力學(xué)性能要求如表3所示,對(duì)比可知,TA17鈦合金SLM試驗(yàn)件滿(mǎn)足技術(shù)要求[5]。

        由表1~表3可知,TA17鈦合金SLM試驗(yàn)件各項(xiàng)力學(xué)性能滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)TA17力學(xué)性能要求,具有較高的強(qiáng)度、較低的塑性。為了使材料具有更加良好的綜合力學(xué)性能,采用退火熱處理方式來(lái)提高材料塑性[6]。

        2 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

        2.1 試驗(yàn)過(guò)程

        TA17是從TC4演變而來(lái)的低合金α型鈦合金,相變溫度為965~970 ℃,適當(dāng)?shù)臒崽幚砟軌蛴嗅槍?duì)性的進(jìn)一步提高材料的力學(xué)性能指標(biāo)[6-7]。退火熱處理工藝研究主要從熱處理溫度、冷卻方式兩個(gè)方面研究退火熱處理對(duì)TA17鈦合金SLM試驗(yàn)件力學(xué)性能的影響。

        試驗(yàn)分為800~900 ℃空冷(AC)、800~900 ℃爐冷(FC)、900~950 ℃空冷(AC) 3組不同退火熱處理工藝,具體的工藝指標(biāo)如表4所示。

        2.2 室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

        按照GB/T228-2008《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,對(duì)退火熱處理后的3組試驗(yàn)件進(jìn)行了橫向(XY)/縱向(YZ/XZ)的室溫拉伸試驗(yàn),結(jié)果如圖1、圖2所示。

        分析圖1、圖2可知:(1)經(jīng)過(guò)熱處理后,TA17鈦合金SLM試驗(yàn)件的室溫抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度均明顯地下降,均滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求;(2)不同的熱處理方式均會(huì)使材料的伸長(zhǎng)率有一定提高,而室溫?cái)嗝媸湛s率表現(xiàn)不同;(3)經(jīng)過(guò)800~900 ℃空冷(AC)或800~900 ℃爐冷(FC)退火熱處理后,該材料的斷面收縮率明顯降低;(4)經(jīng)過(guò)900~950 ℃空冷(AC)退火熱處理后,斷面收縮率有一定提高,表明該材料塑性得到增強(qiáng);(5)經(jīng)過(guò)900~950 ℃空冷(AC)退火熱處理后,縱向YZ/XZ方向與橫向XY方向的室溫力學(xué)性能數(shù)據(jù)差異減小,表明該材料整體的室溫力學(xué)性能較均衡。

        2.3 室溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果

        按照GB/T229-2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,對(duì)退火熱處理后的3組試驗(yàn)件進(jìn)行了橫向(XY)/縱向(YZ/XZ)的室溫沖擊試驗(yàn),結(jié)果如圖3所示。

        分析圖3可知,經(jīng)過(guò)800~900℃空冷(AC)或800~900℃爐冷(FC)退火熱處理后,TA17鈦合金SLM試驗(yàn)件的沖擊韌性AKU明顯降低,但經(jīng)過(guò)900~950 ℃空冷(AC)退火熱處理后,室溫沖擊韌性AKU有一定增加,該材料的韌性提高。

        根據(jù)室溫拉伸性能、沖擊性能結(jié)果,表明經(jīng)900~950 ℃空冷(AC)退火熱處理后,TA17鈦合金SLM試驗(yàn)件的室溫的塑性、韌性得到提高,為3種熱處理工藝中最優(yōu)。選定900~950 ℃空冷(AC)熱處理后的試件開(kāi)展350 ℃高溫拉伸性能試驗(yàn)。

        2.4 高溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

        按照GB/T4338-2006《金屬材料高溫試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,對(duì)900~950 ℃空冷(AC)后的TA17鈦合金SLM試驗(yàn)件開(kāi)展高溫拉伸試驗(yàn),結(jié)果如圖4、圖5所示。

        根據(jù)高溫(350℃)拉伸試驗(yàn)結(jié)果可知,經(jīng)900~

        950 ℃空冷(AC)退火熱處理后:(1)TA17鈦合金SLM試驗(yàn)件的高溫(350 ℃)抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度均有明顯降低,滿(mǎn)足技術(shù)要求;(2)縱向YZ/XZ方向與橫向XY方向的力學(xué)性能數(shù)據(jù)差異減小,表明該材料整體的力學(xué)性能較均衡;(3)延伸率有顯著提高,與熱處理前相比提高了約50%;(4)橫向斷面收縮率略有降低,縱向收縮率有所提高;(5)橫、縱向的高溫力學(xué)性能數(shù)據(jù)差異減小,表明該材料整體的高溫力學(xué)性能較均衡。

        綜合來(lái)看,TA17鈦合金SLM試驗(yàn)件經(jīng)900~950℃空冷(AC)退火熱處理后,室溫與高溫(350 ℃)強(qiáng)度顯著降低,延伸率顯著提高,斷面收縮率有所提高,均滿(mǎn)足技術(shù)要求。表明該材料的室溫、高溫(350 ℃)的塑性與韌性得到明顯提高。

        3 結(jié)論

        通過(guò)對(duì)TA17鈦合金激光選區(qū)熔化成形材料做退火熱處理工藝試驗(yàn)研究,對(duì)比3種不同溫度、冷卻方式下的退火熱處理工藝后室溫拉伸、350 ℃高溫拉伸、沖擊試驗(yàn)性能數(shù)據(jù),得到以下結(jié)論:

        (1)800~900℃空冷或者爐冷熱處理后,該材料的室溫強(qiáng)度降低,塑性提高,但韌性降低。

        (2)900~950℃下保溫2 h后空冷(AC)為最優(yōu)的退火熱處理工藝方案,在此方案下,該材料的強(qiáng)度降低,塑性與韌性得到明顯提高,整體的力學(xué)性能較均衡,滿(mǎn)足技術(shù)要求。

        參考文獻(xiàn):

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        劉正武,朱小剛,孫靖,等.激光選區(qū)熔化成形2Cr13不銹鋼組織與力學(xué)性能研究[J].應(yīng)用激光,2019,39(3):411-415.

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        宮敏利,李淑英.二次軋制參數(shù)和退火熱處理對(duì)TA5-A鈦合金熱軋板力學(xué)性能的影響[J].機(jī)械工程材料,2016,40(1):75-77,82.

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