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双相钛合金制造:激光粉末床熔融技术

来源:互联网 时间:2021-9-3 3:42:27

作为一种先进增材制造技术,选区激光熔化/激光粉末床熔融(SLM/LBPF)由于其成形件精度高、表面质量好、性能优良而受到广泛关注。
在激光粉末床熔融技术的应用中,α+β双相钛合金因其比强度高、耐高温、耐腐蚀、生物相容性好、可焊性优异(成形件无裂纹)等特点,在航空航天、海洋工程、军事装备与生物医疗等众多领域都有着大量应用。
然而,该技术还面临着致密度低与组织性能各向异性较严重等问题,以及针对高强高韧需求与高强高断裂韧性抗蠕变需求的微观组织设计难题。
为此,澳大利亚莫纳什大学吴鑫华教授(澳大利亚技术科学与工程院院士、莫纳什大学副校长)团队对目前已报道的激光粉末床熔融制备Ti-6Al-4V(我国牌号:TC4)工作进行了总结综述,包括成形工艺、成形质量、微观组织演化与性能调控等方面,并且为激光粉末床熔融制备双相钛合金有待探索的领域指明了探究方向。


图1 3D打印技术在先进制造领域的应用


该综述以 Review of laser powder bed fusion (LPBF) fabricated Ti-6Al-4V: process, post-process treatment, microstructure, and property 为题发表在 Light: Advanced Manufacturing。
在这篇综述论文中,主体内容分为三个方面:
(1)激光粉末床熔融工艺
图2为选区激光熔化/激光粉末床熔融(SLM/LBPF)技术示意图。在成形过程中,工艺参数与扫描策略对缺陷形成、残余应力和表面质量都有着极大的影响。


图2 选区激光熔化/激光粉末床熔融(SLM/LBPF)技术示意图


如图3所示,通过合理的工艺参数组合才能得到高致密度样件,过高或过低的激光功率与扫描速度等参数均可引入不同类型的缺陷。

图3 (a)选区激光熔化/激光粉末床熔融(SLM/LBPF)工艺窗口; (b)高扫描速度下的未熔合缺陷;(c)工艺窗口中得到的高致密样品;(d)高激光功率下的匙孔缺陷。


(2) 成形工艺与后续热处理工艺对微观组织的影响
在这一部分我们介绍了打印态原始β柱状晶中α’马氏体组织、退火态的α+β片层组织、固溶时效态的α+β双片层或双态组织,与热等静压态α+β片层组织;深入讨论了成形工艺与热处理工艺对微观组织演化的影响。如图4所示,在双相区固溶时效(α+β STA)处理中,固溶温度与时间可极大影响初生α相的组织特征。



图4 双相区固溶时效(α+β STA)处理固溶温度与时间对初生α相组织特征的影响。


(3) 微观组织与性能之间的关系
这一部分着重总结了激光粉末床熔融钛合金中微观组织特征对性能的影响,包括拉伸性能、疲劳性能、断裂韧性、蠕变以及腐蚀性能。图5a为打印态、热处理态与热等静压态片层组织中α片层厚度与屈服强度之间的Hall-Petch关系;图5b为马氏体组织、α+β片层组织与双态组织的力学性能分布,可见双态组织在拉伸性能上拥有高强高韧的特点。


图5 微观组织对力学性能的影响。(a)不同状态的试样中,微观组织与屈服强度之间的Hall-Petch关系;(b)不同微观组织的试样中屈服强度与断后延伸率的分布。


与传统锻造或铸造工艺制备的钛合金相比,后处理过的(包括热处理/热等静压处理/表面处理)激光粉末床熔融钛合金具有更好的拉伸、疲劳、断裂韧性和蠕变性能。此外,我们还提出了在激光粉末床熔融钛合金中同时获得高强度/高断裂韧性/抗蠕变的矛盾。
在综述最后的展望部分中,我们指出:
(1)理想状态下,LPBF制备钛合金在制备复杂形状零件和缩短生产周期方面具有很大优势。然而,目前的技术应用与上述优势还存在一定的差距。例如,LPBF技术固有的表面粗糙度和内部缺陷需要后续表面处理和热等静压处理来解决。
(2)此外,如何减轻组织与性能的各向异性需要开展进一步研究。
(3)在组织和性能方面,LPBF制备的双相钛合金具有较细的微观组织,导致了较高的拉伸强度和高周疲劳强度。然而,细晶组织不利于断裂韧性和抗蠕变性能的提高。因此,针对如何获取高强高断裂韧性抗蠕变的微观组织需要对后续热处理进行进一步研究。
(4)与片层组织相比,双态组织拥有高强高韧的特点。此外,双态组织还有着较高的高周/低周疲劳强度与较低的疲劳裂纹扩展速率。为获取双态组织,打印后续热处理通常采用α+β STA固溶时效处理,但这必然会导致初生与次生α相之间存在的固溶元素含量与强度的差异,因此需对其进一步开展研究。
论文信息:
Sheng Cao, Yichao Zou, Chao Voon Samuel Lim, Xinhua Wu. Review of laser powder bed fusion (LPBF) fabricated Ti-6Al-4V: process, post-process treatment, microstructure, and property[J]. Light: Advanced Manufacturing.


本文的第一作者为曼彻斯特大学曹晟博士,合作者包括曼彻斯特大学邹逸超博士与莫纳什大学Chao Voon Samuel Lim博士。
论文地址:
https://doi.org/10.37188/lam.2021.020

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