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增材制造鈦合金組織及性能研究現(xiàn)狀

發(fā)布時(shí)間:2024-11-17 11:00:54 瀏覽次數(shù) :

近年來(lái),由于鈦合金的優(yōu)良特性,如高比強(qiáng)度、耐腐蝕性和生物相容性,使其在航空航天、醫(yī)療、海 洋等領(lǐng)域得到了快速發(fā)展[1]。增材制造(addiTivemanufac?turing,AM)技術(shù) 憑借著特有的全數(shù)字化、凝固速度快和近凈成形復(fù)雜零部件的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),為金屬基材料的制備提供一種極 具潛力的新方法[2,3]。隨著定制化需求的不斷增加,推動(dòng)了增材制造的快速發(fā)展,同時(shí)也為其迎來(lái) 了新的發(fā)展機(jī)遇。增材制造目前主要用于制備鋼、鈦合金、高熵合金、復(fù)合材料和形狀記憶合金等材料 [4-9]。在快速成型和小批量生產(chǎn)方面,與傳統(tǒng)的減材制造方法相比,增材制造技術(shù)能夠創(chuàng)造更大的經(jīng) 濟(jì)效益。通過(guò)增材制造技術(shù)制備鈦合金的成本較低,而且能夠設(shè)計(jì)自由,制造出用戶定義的復(fù)雜結(jié)構(gòu),這 是很難通過(guò)其他傳統(tǒng)制造方法生產(chǎn)的[10,11]。

為梳理近年來(lái)本領(lǐng)域的相關(guān)研究現(xiàn)狀,為相關(guān)從業(yè)人員提供技術(shù)參考,本研究綜述了增材制造鈦合金 組織及性能的研究進(jìn)展,從力學(xué)性能、疲勞性能、高溫氧化性能、摩擦磨損性能以及生物相容性幾個(gè)角度 進(jìn)行了梳理,總結(jié)了合金化和熱處理對(duì)增材制造鈦合金組織及性能影響。

1、研究進(jìn)展

1.1 力學(xué)性能

Li等[12]為了減少電弧熱輸入并細(xì)化柱狀晶粒,采用熱絲電弧增材快速成型制備了4個(gè)Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si樣品。研究發(fā)現(xiàn),粗大的柱狀晶粒得到了極大的細(xì)化,最終得到了由等軸晶 粒和短柱狀晶粒組成的組織。同時(shí),α-板條的寬度也得到了細(xì)化。力學(xué)性能與晶粒變化相一致,各向 異性幾乎消失。而且,可以通過(guò)熱絲電弧增材制造獲得具有優(yōu)異綜合力學(xué)性能的零件。

張明朗等[13]研究了增材制造TA15鈦合金直壁構(gòu)件不同區(qū)域的組織特征及拉伸性能。由圖1可 以看出,受熱輸入、熱循環(huán)及冷卻速度的影響,構(gòu)件不同區(qū)域組織存在明顯差別,主要有針、片狀α、針 狀馬氏體α′、網(wǎng)籃組織、魏氏組織及大等軸原始β晶。中、下層存在短棒狀α,為初生α。垂 直于焊縫方向與平行于焊縫方向的拉伸性能不同,存在明顯各向異性。

截圖20241110222037.png

王繼航等[14]研究了預(yù)埋缺陷的尺寸、位置對(duì)激光選區(qū)熔化(selecTivelaserme lTing,SLM)技術(shù)制備含人工設(shè)計(jì)缺陷的TC4鈦合金室溫拉伸性能的影響。研究結(jié)果顯示,由 于SLM成形過(guò)程人工植入缺陷內(nèi)包含的合金粉末無(wú)法排出,熱處理后在孔洞缺陷表面燒結(jié),導(dǎo)致缺陷 實(shí)際尺寸較設(shè)計(jì)尺寸略小。當(dāng)預(yù)埋缺陷直徑小于0.7mm時(shí),對(duì)合金抗拉強(qiáng)度幾乎不產(chǎn)生影響,試樣斷裂 均發(fā)生在非預(yù)埋缺陷區(qū);當(dāng)預(yù)埋缺陷直徑超過(guò)0.7mm后,抗拉強(qiáng)度隨缺陷尺寸增大顯著降低,試樣斷裂 均發(fā)生在預(yù)埋缺陷區(qū)。合金延伸率受缺陷的影響較為顯著,隨著缺陷尺寸的增大,延伸率整體呈現(xiàn)逐漸 降低的趨勢(shì),當(dāng)缺陷尺寸超過(guò)0.7mm后,延伸率急劇降低,缺陷尺寸超過(guò)0.9mm后,延伸率在2%~4 %范圍內(nèi)波動(dòng)。

Nadammal等[15]采用4種不同的能量密度制備了新型骨科β鈦合金Ti-35Nb-7Zr- 5TA。研究發(fā)現(xiàn),所有條件制備的試樣理論密度均大于98.5%。在較高的能量密度輸入下,缺陷越小 ,密度越高。在最高的能量密度輸入下觀察到細(xì)胞到柱狀樹枝晶的轉(zhuǎn)變,同時(shí)凝固的晶粒尺寸增加,表 明溫度梯度和凝固增長(zhǎng)率的協(xié)同效應(yīng)。密度測(cè)量表明,能量密度為50.0J/mm3時(shí)達(dá)到了 約99.5%的理論密度。能量密度為54.8J/mm3時(shí),通過(guò)形成柱狀樹枝狀的亞結(jié)構(gòu),獲得 了最大的拉伸強(qiáng)度約660MPa,所有制造的部件均呈現(xiàn)25%~30%的高延展性。

方遠(yuǎn)志等[16]借鑒激光擺動(dòng)焊接技術(shù),提出一種激光擺動(dòng)送粉增材制造TC4鈦合金工藝,借助激 光原位擺動(dòng)改變?nèi)鄢剡\(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)而影響溫度梯度和凝固速率,改善增材制造鈦合金的微觀組織,研究了激 光擺動(dòng)送粉增材制造工藝對(duì)TC4鈦合金微觀組織演變及力學(xué)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn),無(wú)擺動(dòng)激光熔化沉 積實(shí)驗(yàn)的最佳工藝參數(shù)為:激光功率1000W,掃描速率8mm/s,送粉速率6.92g/min;直 線型激光擺動(dòng)的最佳工藝參數(shù)為:擺動(dòng)頻率200Hz,擺動(dòng)幅度1.5mm。

直線型激光擺動(dòng)對(duì)熔池形貌改善顯著,氣孔和裂紋等缺陷較少,柱狀晶數(shù)量和尺寸均有所減小,并且 晶粒出現(xiàn)了等軸化的現(xiàn)象。相比無(wú)擺動(dòng)樣品,激光擺動(dòng)后Ti-6Al-4V合金單道區(qū)域平均晶粒尺寸從 5.20μm減小到4.37μm,硬度從418.00HV提升到428.75HV。

以上研究表明,對(duì)于增材制造鈦合金力學(xué)性能的研究首先要集中在顯微組織上。由力學(xué)性能的變化 趨勢(shì)可以反映出內(nèi)部組織的變化規(guī)律。

1.2 疲勞性能

池維乾等[17]采用旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞測(cè)試(f=50Hz,R=-1)與超聲頻率(20kHz)疲 勞測(cè)試研究了選區(qū)激光熔化技術(shù)制造的Ti-6Al-4V合金超高周疲勞行為。

研究結(jié)果表明,經(jīng)熱等靜壓處理的增材制造Ti-6Al-4V合金與鍛造的Ti-6Al-4V合金疲勞性能 相當(dāng),且不同加載方式對(duì)超高周疲勞范疇內(nèi)疲勞性能影響顯著。在旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)下,疲勞裂紋從試 樣表面開始萌生,而對(duì)于超聲疲勞測(cè)試,存在試樣表面和內(nèi)部的裂紋萌生,且超高周疲勞裂紋趨于在試樣 內(nèi)部萌生,并且疲勞斷口呈現(xiàn)“魚眼”形貌特征。對(duì)斷裂面裂紋萌生處的細(xì)晶區(qū)(FGA)進(jìn)行電子背 散射衍射與透射電子顯微鏡觀測(cè)。結(jié)果表明,增材制造Ti-6Al-4V合金超高周疲勞裂紋萌生與早期 擴(kuò)展

區(qū)域存在不連續(xù)的細(xì)小晶粒區(qū)域,是由位錯(cuò)相互作用導(dǎo)致晶粒細(xì)化進(jìn)而形成微裂紋以及形成于α相 、晶界等的微裂紋共同作用所致。

高一峰等[18]研究了退火態(tài)TA15合金的疲勞性能與疲勞斷裂失效行為。結(jié)果表明,退火態(tài)T A15合金的軋向和縱向組織均以α/β片層交疊形成的網(wǎng)籃組織為主,局部存在等軸晶粒分布。通 過(guò)對(duì)S-N曲線進(jìn)行擬合,TA15鈦合金疲勞極限為311MPa。試樣斷口包含疲勞裂紋源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò) 展區(qū)和瞬斷區(qū)。裂紋均從表面萌生,同時(shí)裂紋擴(kuò)展區(qū)存在大量的疲勞輝紋和二次裂紋,瞬斷區(qū)由等軸狀 的韌窩構(gòu)成,呈現(xiàn)典型的準(zhǔn)解理斷裂特征。在低循環(huán)應(yīng)力下,裂紋主要穿過(guò)或沿著α/β片層組織 進(jìn)行擴(kuò)展,裂紋擴(kuò)展路徑較長(zhǎng);在高循環(huán)應(yīng)力下,裂紋開始沿著原始β晶界擴(kuò)展,二次裂紋擴(kuò)展路徑較 短但數(shù)量較多。疲勞裂紋容易沿著組織中相對(duì)薄弱的位置進(jìn)行擴(kuò)展,并且二次裂紋周圍有裂紋分支生成。

黃興等[19]選取絲材電弧增材制造TC4鈦合金進(jìn)行試驗(yàn),建立了疲勞裂紋萌生壽命有限元預(yù)測(cè)模 型,通過(guò)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,驗(yàn)證了該模型在預(yù)測(cè)TC4鈦合金疲勞裂紋萌生壽命方面的可行性。試驗(yàn)結(jié)果 表明,增材制造TC4鈦合金的彈性模量、抗拉強(qiáng)度、泊松比與TC4鈦合金鍛件相近,但疲勞性能與傳 統(tǒng)TC4鍛件相差甚遠(yuǎn),建立的疲勞裂紋萌生壽命預(yù)測(cè)模型結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果誤差小于40%,具有一定的 參考意義。Konda等[20]采用K-近鄰算法(k-nearestneighbors, KNN )、決策樹(deciSiontree,DT)、隨機(jī)森林(randomforest,RF)和 極端梯度提升(eXtremegradientboosTing,XGB)算法等四種機(jī)器 學(xué)習(xí)(machinelearning,ML)算法來(lái)分析Ti64合金的疲勞裂紋擴(kuò)展速率(faTi guecrackgrowthrate,FCGR)。在調(diào)整了這些算法的超參數(shù)后,發(fā)現(xiàn)訓(xùn)練過(guò) 的模型對(duì)未見(jiàn)過(guò)數(shù)據(jù)的估計(jì)與訓(xùn)練過(guò)的數(shù)據(jù)一樣好。在訓(xùn)練和測(cè)試階段,根據(jù)其平均平方誤差和R2, 對(duì)4個(gè)測(cè)試的ML模型進(jìn)行了相互比較。與其他模型相比,由于XGB算法具有最小的均平方誤差和 更高的R2,因此在FCGR預(yù)測(cè)中更準(zhǔn)確。Syed等[21]研究了單程、平行程和振蕩沉積三種 增材制造方式對(duì)Ti-6Al-4V的疲勞裂紋生長(zhǎng)行為的影響。研究結(jié)果顯示,由于較高的局部熱輸入, 與單程和平行程方式相比,振蕩沉積表現(xiàn)出明顯較粗的柱狀β晶粒結(jié)構(gòu)以及較粗的轉(zhuǎn)化微觀結(jié)構(gòu)。在 三種制造方法中,振蕩沉積的裂紋生長(zhǎng)率最低。裂紋大致介于再結(jié)晶α(軋制退火)和β退火的鍛 造材料之間。

當(dāng)裂紋垂直于沉積層傳播時(shí),疲勞裂紋的增長(zhǎng)速度較低。在提到的三種增材制造工藝中,在較低的應(yīng) 力強(qiáng)度系數(shù)范圍內(nèi)(<25MPa·m1/2),微觀結(jié)構(gòu)對(duì)裂紋生長(zhǎng)速度的影響更大。

綜上所述,目前對(duì)于鈦合金疲勞性能的研究主要是試驗(yàn)和模擬兩方面。進(jìn)行模擬能夠在最大程度上 避免未知缺陷,提高材料性能研究的效率。

1.3 高溫氧化性能

高溫氧化性能是鈦合金在航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用上最為重要的性能,直接決定著服役的安全性。張利 等[22]介紹了耐熱鈦合金和增材制造鈦合金抗氧化性能的研究現(xiàn)狀,以及近年來(lái)對(duì)提高鈦合金抗高溫氧 化性能的合金化和表面改性等技術(shù)手段的研究進(jìn)展。

展望了進(jìn)一步改善采用增材制造技術(shù)制備的鈦合金抗高溫氧化性能的研究方向。FU等[23]用電 弧增材制造法生產(chǎn)的Ti6Al7Nb合金在800℃下被氧化,以確定由熱影響帶(he ataffectedbands,HABs)引起的氧化差異。氧化動(dòng)力學(xué)證明,與非HABs區(qū) 相比,具有緊密β板條的HABs具有更強(qiáng)的抗氧化性。β相中富含的Nb元素促進(jìn)了Ti3Al 在氧化后在β板條的原始位置析出,與β板條的間距相似。緊湊的Ti3Al在HABs上的形成有 利于抑制氧氣在氧化層/基體界面上的擴(kuò)散。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)在服役過(guò)程中需要長(zhǎng)時(shí)間承受高溫,因此,鈦合金的高溫氧化性能是研究的重點(diǎn),下一步 應(yīng)該重點(diǎn)研發(fā)抗高溫氧化性能的鈦合金。

1.4 摩擦磨損性能

Su等[24]對(duì)Ti-6Al-4V合金進(jìn)行了直接時(shí)效和固溶時(shí)效處理,以提高其摩擦性能。在正 常載荷(2.5~40N)和滑動(dòng)速度(50~800rpm)范圍內(nèi),采用干式滑動(dòng)磨損試驗(yàn)來(lái)研究其綜合 磨損行為。結(jié)果表明,形成了高密度的Ti3Al沉淀物,并且在固溶處理過(guò)程中發(fā)生了α′→α+β 的分解。磨損形態(tài)和磨損機(jī)制在很大程度上取決于微觀結(jié)構(gòu)特征、外加載荷和滑動(dòng)速度。Mantri 等[25]研究了硼對(duì)增材制造鈦合金硬度和磨損性能的影響。結(jié)果顯示,TNZ(成分為Ti-13Nb- 13Zr)試樣的整體硬度值為325HV,略高于文獻(xiàn)。造成這種現(xiàn)象的原因是在制作試樣時(shí)采用了激光工程 化凈成形(laser-engineerednetshaping,LENS)打印技術(shù),從而產(chǎn) 生了細(xì)晶粒和殘余應(yīng)力。在TNZ中加入硼后,TNZ-B的硬度值增加到450HV。硬度值的增加 歸因于原位TiB沉淀的形成。此外,與TNZ合金相比,TNZ-B的磨損率由于硬度的增加而降 低,硬度增加是由于TiB的形成以及α沉淀體積分?jǐn)?shù)和形態(tài)的變化。

圖2(a)(b)為兩種試樣的磨痕,圖2(c)(d)為三維掃描白光干涉儀(3Dscanni ngwhitelightinterferometer,SWLI)圖像。由圖可以看出,在添加 硼以后,磨損深度明顯減小,磨損面也變得更加平整,表明硼的加入顯著提高了耐磨性。

截圖20241110222059.png

1.5 生物相容性

鈦合金的生物相容性是作為人體植入材料需要考察的一項(xiàng)重要內(nèi)容,生物材料表面在局部條件下的電 化學(xué)行為是影響植入成功與否的重要因素。Aydin等[26]研究了增材制造鈦合金在模擬正常、炎癥 和嚴(yán)重炎癥條件的三種不同介質(zhì)中浸泡1h和12h后的電化學(xué)行為。極化研究表明,在所有情況下 ,耐腐蝕性都會(huì)隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。研究發(fā)現(xiàn),在炎癥條件下,H2O2會(huì)對(duì)被動(dòng)層的電阻產(chǎn)生 破壞作用,而在嚴(yán)重炎癥條件下,白蛋白、乳酸鹽和H22都會(huì)協(xié)同降低鈦層 的耐腐蝕性。電化學(xué)阻抗數(shù)據(jù)表明,在嚴(yán)重炎癥條件下,帶電的白蛋白會(huì)吸引到局部點(diǎn)蝕區(qū)域,從而改 變腐蝕性物質(zhì)在金屬/被動(dòng)層界面的擴(kuò)散傳輸。

電化學(xué)測(cè)試還證明,與未經(jīng)處理的相同成分的鈦相比,增材制造鈦合金表面在模擬溶液中的耐腐蝕性 更好。研究表明,新的表面形貌和潤(rùn)濕性也是增材制造鈦合金試樣腐蝕性能得到改善的積極因素。圖3 為增材制造商業(yè)純鈦(CP-Ti)和Ti-6Al-4V在模擬介質(zhì)中浸泡1h和12h后的開 路電位(opencircuitpo?tenTial,OCP)。由圖可以看出,在模擬炎癥和嚴(yán)重炎 癥環(huán)境中,OCP值向電位正方向移動(dòng),可能是H22分解為H2和O2, 從而在緩慢的氧還原反應(yīng)中起到了額外的陰極反應(yīng)的作用。早期的研究表明,炎癥溶液中的正OCP 值可歸因于氧化中間產(chǎn)物(如HO2和HO)吸附到鈦基材料的膜上。在嚴(yán)重炎癥條件下, 向炎癥溶液(H2O2+PBS)中添加BSA和CLH會(huì)降低OCP值。

截圖20241110222111.png

Nikolaeva等[27]根據(jù)銅的添加量,研究了增材制造鈦合金對(duì)金黃色葡萄球菌和白色念 珠菌的抗菌活性。結(jié)果表明,將材料中的銅含量提高到9.7%,可使含銅基質(zhì)上的細(xì)菌數(shù)量減少99%。 這種基底抗菌活性的增強(qiáng)是由于Ti6Al4/Cu合金釋放出銅離子。

范東陽(yáng)[28]通過(guò)選擇性激光熔化(SLM)技術(shù)制造了一種新型梯度含銅鈦合金(TC4-5Cu /TC4),研究了其對(duì)變形鏈球菌的抗菌作用。結(jié)果表明,銅元素在TC4-5Cu/TC4合金表面 80μm范圍內(nèi)均勻分布,同時(shí)兩合金的親水性和粗糙度基本相同。TC4-5Cu/TC4合金的Cu2+釋放濃度(第28天的釋放濃度約為(18.73±0.87)μg/L)低于離子的最小抑 制濃度MIC(28ppm)及最小殺菌濃度MBC(56ppm),這與該合金對(duì)浮游細(xì)菌缺乏抗菌作 用的結(jié)果一致

。相反,TC4-5Cu/TC4合金對(duì)附著菌具有顯著的殺菌效果(抗菌率約為74.93%±5.32% )、抑制生物膜能力(抗生物膜率約為63.58%±1.54%)和下調(diào)相關(guān)基因表達(dá)的作用。

2、不同處理方式對(duì)增材制造鈦合金組織及性能影響

2.1 添加合金元素

劉晏碩等[29]通過(guò)增材制造技術(shù)制備了TC4與TC4+Nb沉積態(tài)樣件,研究了Nb對(duì)TC4 沉積態(tài)顯微組織、相組成及力學(xué)性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明,TC4與TC4+Nb沉積態(tài)的組織均由大 量α-Ti及少量β-Ti構(gòu)成。隨著Nb含量從0增加到8%,TC4沉積態(tài)的原始β-Ti和初生 針狀α-Ti平均晶粒尺寸逐漸減小,初生針狀α-Ti尺寸減小了67.4%;同時(shí)網(wǎng)籃組織得到細(xì)化,β相含量明顯增加。添加Nb能夠顯著提高T C4沉積態(tài)樣件的拉伸性能,TC4+6%Nb沉積態(tài)樣件拉伸性能最優(yōu),滿足鍛件標(biāo)準(zhǔn)要求。

左新德等[30]研究了TA添加對(duì)NiTi合金的微觀組織、相變行為、力學(xué)性能以及抗腐蝕能力的 影響。

結(jié)果表明,與NiTi合金相比,NiTiTA合金的晶粒顯著細(xì)化,析出相由NiTi合金中的Ni 3Ti轉(zhuǎn)變?yōu)椋危椋═i,TA)2。此外,其相變溫度顯著提高,這導(dǎo)致了室溫下的組織由完全奧氏體相 (B2)轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體(B2)和馬氏體(B19’)的混合相。拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明,NiTiTA合金試 樣相較于NiTi合金試樣的抗拉強(qiáng)度提升了9.5%,但延伸率下降了6.8%。極化曲線結(jié) 果表明Ni?TiTA合金具有更高的自腐蝕電位和更小的腐蝕電流密度,抗腐蝕能力顯著提升。Yang 等[31]研究了0~5%的Si對(duì)Ti-35Nb-5TA-7Zr合金強(qiáng)度和耐磨性的影響。結(jié)果表明,微觀 結(jié)構(gòu)是由粗柱狀晶粒組成的。隨著硅含量的增加,等軸晶粒逐漸減小,β晶粒的形態(tài)發(fā)生了很大變化。 從圖4中可以看出,TNTZ-5Si的微觀結(jié)構(gòu)由細(xì)小的等軸β晶粒組成和細(xì)長(zhǎng)的β晶粒組成。Si的加 入能顯著提高屈服強(qiáng)度,這主要是由于晶粒細(xì)化強(qiáng)化所致。與此同時(shí),在SBF(Simulated bodyfluid)溶液中,TNTZ-5Si合金的磨損率僅為Ti-6Al-4V合金的約30%。綜上 ,鈦合金在添加Nd、TA和Si合金元素后,的確起到了細(xì)化晶粒提高性能的作用,在實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)該 根據(jù)使用范圍和服役條件具體分析。

截圖20241110222132.png

2.2 熱處理

Wang等[32]采用激光定向能沉積(LDED)技術(shù),制備了一種具有新成分的α+β鈦合 金,并研究了950℃/1h/空冷+530℃/6h/空冷退火對(duì)組織的影響。

圖5中(a)(b)為沉積狀態(tài)微觀結(jié)構(gòu),(c)(d)(e)為熱處理狀態(tài)的微觀結(jié)構(gòu),(f)為 αp纖維根形態(tài)演變的橫截面示意圖。沉積后的新α+β鈦合金呈現(xiàn)出近等軸的先β晶粒和超細(xì)網(wǎng) 籃微觀結(jié)構(gòu),其中α板條的厚度為(0.4±0.1)μm。通過(guò)宏觀擴(kuò)散形成了厚度為(1.4±0.2)μm 的初級(jí)α(αp)纖維根形態(tài),這種特殊形態(tài)是延展性得以改善的主要原因。借助這種特殊形貌和細(xì) 小次生α(αs)的成核,極限抗拉強(qiáng)度(UTS)和延展性可達(dá)到(1247±3)MPa和(9.2±0.2 )%。

截圖20241110222214.png

張國(guó)棟等[33]分析了不同熱處理狀態(tài)的增材制造TC11鈦合金微觀組織和室/高溫拉伸性能及其各 向異性。結(jié)果表明,沉積態(tài)微觀組織為沿<001>β方向生長(zhǎng)的柱狀晶。晶界存在連續(xù)α相,晶體內(nèi) 部由集束和網(wǎng)籃α相組成的片層組織。經(jīng)950℃/2h/空冷+530℃/6h/空冷的熱處 理后晶界連續(xù)α相破碎,晶內(nèi)α相寬度從1.1μm增加至1.8μm,并形成具有二次α相的雙片層 組織。沉積態(tài)室溫及500℃高溫拉伸性能均具有明顯的各向異性。經(jīng)過(guò)熱處理后室/高溫拉伸性能 均獲得改善并高于鍛件要求且各向異性明顯降低。與沉積態(tài)相比,熱處理態(tài)室溫抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率 各向異性分別從4.4%和27.1%降低至1.6%和5.4%。柱狀晶及其晶界連續(xù)α相是引起塑性各向異性 的原因。

劉祥宇等[34]研究了不同固溶溫度對(duì)高功率增材制造TA15的物相組成、微觀組織以及力學(xué)性能各 向異性的影響規(guī)律。結(jié)果表明,平行增材方向上的組織主要體現(xiàn)為外延生長(zhǎng)的柱狀晶,垂直于增材方向 的組織則為等軸晶。并且隨著固溶溫度的下降,柱狀晶與等軸晶的尺寸明顯減小。在850℃ /2h/風(fēng)冷+650℃/3h/空冷的熱處理?xiàng)l件下,具有更高的抗拉強(qiáng)度(橫向1017.8 MPa,縱向991.9MPa)與屈服強(qiáng)度(橫向929.9MPa,縱向893.1MPa);在950℃/2h/風(fēng) 冷+650℃/3h/空冷的熱處理?xiàng)l件下,具有更優(yōu)的伸長(zhǎng)率(橫向16.7%,縱向17.2%)與斷面 收縮率(橫向32.7%,縱向43.7%);隨著固溶溫度的提升,TA15拉伸性能的各向異性降低。

張穎等[35]研究了雙重退火工藝(890℃×1h/FC+750℃×2h/AC,570℃×4 h/AC)對(duì)激光增材沉積和修復(fù)兩種狀態(tài)的TC18鈦合金的組織和力學(xué)性能的影響,并與原始鍛件 TC18鈦合金進(jìn)行比較。結(jié)果表明,激光增材修復(fù)試樣微觀組織為典型的類鑄態(tài)組織,主要由層狀β 晶粒組成。激光增材修復(fù)試樣經(jīng)雙重退火后為魏氏組織,原始β晶界仍清晰可見(jiàn),晶內(nèi)分布著交錯(cuò)的 (α+β)集束。經(jīng)雙重退火后,激光增材沉積試樣強(qiáng)度低于鍛件,塑性高于鍛件,激光增材修復(fù)試樣的 性能介于兩者之間,其沖擊性能比鍛件的沖擊性能高約60%。激光增材沉積、激光增材修復(fù)兩種狀態(tài)經(jīng)退 火熱處理后力學(xué)性能都能達(dá)到TC18鍛件規(guī)定值。

陳素明等[36]研究了退火工藝參數(shù)對(duì)增材制造TC18鈦合金力學(xué)性能和組織的影響。結(jié)果表明, 增材制造TC18鈦合金試塊宏觀形貌平整,表面沒(méi)有裂紋等缺陷,表面呈均勻的銀白色。試樣經(jīng)600 ℃退火保溫2h后的各項(xiàng)力學(xué)性能均滿足GJB2744A-2007指標(biāo)要求,其規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度為1 036MPa,抗拉強(qiáng)度為1084MPa,斷后伸長(zhǎng)率為9.8%,斷面收縮率為30%。增材制造TC18鈦合金 的組織為典型的柱狀晶組織,粗大的β相柱狀晶粒內(nèi)為細(xì)長(zhǎng)的針狀α相及編織細(xì)密的α+β相板條 組織,隨著退火溫度的升高,β相柱狀晶內(nèi)的針狀α相逐漸粗化。

綜上所述,利用熱處理工藝對(duì)鈦合金進(jìn)行處理已經(jīng)成為一種簡(jiǎn)單高效的途徑,通過(guò)改變相應(yīng)的工藝即 可獲得性能優(yōu)異的鈦合金材料。

3、結(jié)束語(yǔ)

隨著個(gè)性化需求的不斷提高,增材制造技術(shù)也迎來(lái)了不錯(cuò)的發(fā)展前景,但目前對(duì)增材制造技術(shù)的研究 還不系統(tǒng)。本研究總結(jié)了近年來(lái)增材制造鈦合金研究取得的研究成果,從力學(xué)性能、疲勞性能、高溫氧化 性能、摩擦磨損性能和生物相容性角度對(duì)性能的研究進(jìn)行歸類總結(jié),介紹了添加合金元素和進(jìn)行熱處理對(duì) 鈦合金組織及性能的影響。可以看出,通過(guò)不同的處理手段均取得了一定的研究進(jìn)展,得到了組織細(xì)化、 性能強(qiáng)化的研究機(jī)理,下一步應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)這方面的研究,不斷推進(jìn)工程實(shí)際的應(yīng)用。

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