不同取向对激光快速成形Ti-6Al-4V合金力学性能的影响

采用万能材料试验机系统,对激光快速成形TC4钛合金不同取向圆柱形试样进行准静态压缩试验,使用光学显微镜、扫描电镜、XRD等分析手段,研究不同取向对其力学性能的影响。结果表明:不同取向激光快速成形TC4钛合金由于微观结构的差异,其准静态压缩力学性能也不同,其中,与激光扫描方向成45°角试样显示最高的强度,但塑性最差;而沿沉积方向试样则显示最好的塑性性能,其强度与沿激光扫描方向试样的强度相当。

激光快速成形Ti-6Al-4V合金力学性能

采用实验研究的方法,对激光快速成形Ti-6Al-4V合金的力学性能进行了探讨。结果发现:和锻造件相比,激光快速成形沉积态Ti-6Al-4V合金的拉伸性能具有高强低塑特点和更显著的各向异性;成形试样的组织、氧含量和冶金缺陷都将影响到拉伸性能,其中组织的影响最显著,其次为氧含量和熔合不良缺陷;对于氧含量符合GJBGJB2921-1997标准的激光快速成形Ti-6Al-4V合金,经固溶时效热处理后所获得的网篮组织综合性能最好,不论是强度指标还是塑性指标都高于锻件标准。

选区激光熔化成形Ti-6Al-4V钛合金的研究进展

Ti-6Al-4V钛合金具备良好的生物相容性、较小的密度以及较高的比强度而常用于航空领域和生物医学领域。选区激光熔化技术作为一种增材制造技术能够制备复杂的零件而被大量用于成形钛合金。选区激光熔化成形的钛合金相比于传统工艺有着更加优异的强度,但是塑性较差。如何制备出成型质量好、力学性能优异的钛合金依然是选区激光熔化技术面临的挑战。基于此,本文结合国内外研究现状,综述了选区激光熔化成形钛合金的进展,包括工艺参数和能量密度以及制备过程中所产生的缺陷对合金性能的影响,探讨了缺陷产生的原因;并总结了后处理对成形试样的拉伸性能和疲劳性能的影响;最后对增材制造钛合金的进一步研究方向进行了展望。

非球形Ti-6Al-4V粉末粒度对激光快速成形的影响

为了找到适合激光快速成形技术的非球形Ti-6Al-4V粉末粒度范围,采用高速摄影的方法研究了不同粒度粉末的输送情况,并通过不同粒度粉末的激光快速成形实验,研究了粉末粒度对粉末利用率、成形件表面精度和成形件内部气孔缺陷的影响。结果表明,在64～122μm粒度范围内,随粉末平均粒度的变细,粉末利用率先增大后降低,成形件表面精度先提高后降低,成形件内部气孔先减小后增多,适合激光快速成形的粉末粒度应在86～98μm之间。

激光选区熔化Ti-6Al-4V合金的微纳压痕尺寸效应

目的研究不同状态激光选区熔化Ti-6Al-4V合金的纳米压痕尺寸效应。方法对原始态合金分别进行600、700、800、900℃退火处理,利用扫描电子显微镜观察原始态和4种退火态合金的显微组织。基于纳米压痕技术测量原始态及4种退火态合金的纳米硬度和弹性模量。基于比例试样阻力模型、Nix-Gao模型和Meyer定律对纳米硬度进行函数拟合。结果随着退火温度的升高,原始态组织从魏氏体逐渐演变为网篮组织。5种形态的Ti-6Al-4V合金的硬度和弹性模量均出现随压入深度的增加而减小的现象,表现出典型的压痕尺寸效应,基于试验测得的原始态及4种退火态合金的纳米硬度分别为3.66、4.36、3.96、3.88、4.77 GPa,弹性模量分别为113.1、125.2、102.1、100.3、108.7 GPa;基于比例试样阻力模型计算的纳米硬度分别为3.53、4.34、3.92、3.52、4.04 GPa;基于Nix-Gao模型计算的纳米硬度分别为3.68、3.94、4.07、3.85、4.47 GPa;基于Meyer定律拟合出的迈耶指数分别为1.75、1.86、1.82、1.80、1.81,均小于2,均表现为正压痕尺寸效应。结论激光选区熔化Ti-6Al-4V合金的硬度及弹性模量均有典型的压痕尺寸效应;3种模型均能较好地描述原始态和退火态合金的压痕尺寸效应,Nix-Gao模型直接建立了纳米硬度和压痕深度的关系,其拟合结果更接近于试验结果,计算的硬度值也最为准确。

选区激光熔化Ti-6Al-4V合金在模拟乏燃料后处理环境中的腐蚀行为

研究选区激光熔化(SLM)制备的Ti-6Al-4V合金在乏燃料后处理环境中的腐蚀行为。借助光学显微镜、X射线衍射、扫描电子显微镜、电子背散射衍射以及电化学测试等手段研究SLMTi-6Al-4V合金的显微组织及耐蚀性。结果表明,相较于铸造合金,SLM Ti-6Al-4V合金在含氧化性离子的6 mol/L热硝酸溶液中的耐腐蚀性更好。进一步分析表明,SLMTi-6Al-4V合金具有α'+β的微观结构,β-Ti相含量较高且分布均匀,同时其晶粒尺寸较小、晶界密度较高,这种微观结构可提高其在含氧化性离子的硝酸中的钝化能力以及耐腐蚀性。SLM Ti-6Al-4V合金有望在乏燃料后处理过程中得到广泛应用。

激光选区熔化生物医用Ti-6Al-4V合金的弯曲疲劳行为

分析了SLM Ti-6Al-4V合金的弯曲疲劳行为及相应的微观组织和断口形貌,设置与SLM试样化学成分相同的轧制态Ti-6Al-4V合金进行对比研究.采用X射线衍射(XRD)、结合电子背散射衍射(EBSD)的扫描电子显微镜(SEM)对合金的微观组织进行分析.结果表明,三点弯曲疲劳裂纹起始于准解理断裂表面附近的应力集中,随后向内扩展.SLM成形Ti-6Al-4V合金的弯曲疲劳寿命高于轧制成形Ti-6Al-4V合金,SLM Ti-6Al-4V合金内部孔洞缺陷导致表面附近应力集中,促进疲劳裂纹形核;而SLM Ti-6Al-4V合金中随机取向的α+β晶粒、二次裂纹和孔洞延缓了裂纹扩展,提高了疲劳寿命.对于轧制态Ti-6Al-4V合金,由大量近似取向α晶粒组成的宏观区引起应力集中,形成微裂纹,导致疲劳裂纹形核,而且宏观区对裂纹扩展的阻碍作用较小,不利于材料的疲劳寿命.

激光增材制备Ti-6Al-4V/TiC金属陶瓷熔覆层组织与性能强化

Ti-6Al-4V合金因具有良好的强度、塑性、韧性、耐蚀性以及可焊性,在航空航天以及化工装备制造领域具有广泛应用,但其硬度以及耐磨性不高等性能短板,一定程度上限制了其摩擦磨损工况下的服役寿命。本研究基于激光熔覆优化工艺方法,增材制备具有TiC添加相的Ti-6Al-4V合金同质金属陶瓷熔覆层,表征并验证TiC增强相对熔覆层组织以及基本力学性能的强化作用。结果表明:熔覆层主要物相包括α-Ti,β-Ti以及TiC,其中TiC在熔覆层内过饱和析出,且受熔覆层不同位置过冷度差异影响,析出的TiC在熔覆层顶部以细小的颗粒状为主,而在熔覆层中部则主要呈树枝及花瓣状析出,熔覆层底部新增了麦穗状的析出形状,而稀释区则未见明显TiC析出。熔覆层平均显微硬度为530HV0.5,较基体提升了61%;在35 N载荷下,熔覆层平均摩擦因数为0.3583,较基体降低了11%,体积磨损率约为基材的87%,磨损形式为黏着磨损和磨粒磨损。

激光重熔对激光粉末床熔合制备Ti-6Al-4V合金热稳定性的影响机制研究

研究了激光重熔(LR)对激光粉末床熔合(LPBF)制备Ti-6Al-4V合金的组织性能和热稳定性的影响。结果表明,LR处理后,LRed-Ti-6Al-4V钛合金样品内α′相热稳定性显著提升,β-Ti相出现的温度点由500℃升至700℃。热处理后,LPBF-Ti-6Al-4V钛合金内晶粒持续生长,700℃以上出现明显的“短棒状”和“粗层片状”特征;而LRed-Ti-6Al-4V样品表层熔化区内晶粒仍维持等轴特征,700℃以上的熔化区和热影响区内呈现较为均匀细小的针状组织。两组样品的表面显微硬度值随温度升高而不断降低,并且分别在700℃和850℃显著下降,β-Ti晶粒的迅速粗化是引起硬度下降的主要原因。

激光冲击强化对Ti-6Al-4V榫齿结构高低周复合疲劳性能的影响

为了探究激光冲击强化对Ti-6Al-4V合金榫齿结构高低周复合疲劳行为的影响,本文对经过激光冲击强化处理的Ti-6Al-4V榫齿结构的表面完整性特征和高低周复合疲劳性能进行测试。结果表明:相比于未经过激光冲击强化处理的原始榫齿结构,激光冲击榫齿结构的高低周复合疲劳寿命提高729%。激光冲击改变了榫齿结构接触区域的微动磨损特征。原始榫齿结构表现为大尺寸的脱层磨损坑,坑底部诱发微裂纹并向基体内扩展,而激光冲击榫齿结构表现为小尺寸脱层薄片。此外,激光冲击还降低榫齿结构的疲劳裂纹扩展速率。激光冲击强化抗高低周复合疲劳作用显著,这主要归因于激光冲击强化层改变疲劳裂纹萌生方式,并抑制裂纹早期扩展。

激光快速修复Ti-6Al-4V合金的显微组织与力学性能

针对Ti-6Al-4V合金在加工和服役过程中的损伤特点,对Ti-6Al-4V合金锻件的3种典型误加工缺陷——槽缺陷、面缺陷和体缺陷进行了激光快速修复研究。激光修复区与锻件基体形成致密冶金结合,Al、V合金元素由锻件基体到激光修复区均匀分布,无宏观偏析。激光修复区组织为粗大原始β晶粒内分布细长的α针及编织细密的α+β板条组织,呈现典型的魏氏结构,热影响区组织从锻件的等轴α+转变β组织逐步过渡到魏氏(α+β)组织。对预制有3种类型缺陷的激光修复试样进行室温静载拉伸试验和硬度测试,结果表明修复试样的拉伸性能达到锻件标准(HB5224-1982)。激光修复试样的硬度和强度高于锻件基体,而塑性则低于锻件基体。因此,激光修复区和锻件基体可看作是一种“强+弱”的组合,这与二者的显微组织是相对应的。

混合元素法激光立体成形Ti-6Al-4V的组织及性能研究(英文)

以Ti、Al、V混合元素粉末为原料激光沉积Ti-6Al-4V,并对沉积态试样的组织演化及力学性能进行研究。结果表明,与采用预合金Ti-6Al-4V粉末为原料所获得的沉积试样的凝固组织特征有所不同,采用混合元素粉末为原料获得的沉积试样的凝固组织随激光功率的提高逐渐由等轴晶转化为柱状晶,熔池内合金化过程所产生的混合热的扰动作用是导致低功率条件下等轴晶形成的原因。原始β晶粒内的微观组织由大量的魏氏α板条和一定体积分数的板条间β相组成。这与采用预合金粉末基本相同。混合元素法激光立体成形Ti-6Al-4V的氧含量仅约0.1wt.%,沉积态Ti-6Al-4V的室温拉伸性能超过锻件标准要求。

开放环境激光定向能量沉积Ti-6Al-4V的微观组织与力学性能

大型钛合金零部件的现场激光增材修复由于条件的限制,难以在气氛箱体内完成。基于光内送粉熔覆技术,分别在空气开放环境下的局部气氛保护装置与具有控水控氧功能的气氛箱体内进行Ti-6Al-4V激光定向能量沉积试验,比较了这两种成形环境中Ti-6Al-4V合金的微观组织与力学性能差异。结果表明,在开放环境中成形件的平均氧含量比气氛箱体内的成形件高。两类成形试样组织均主要为α+β双相网篮组织,气氛箱体内成形的试样有明显的β晶界,晶界旁有片层α相,而在开放环境中成形的试样晶内存在大量的α'相。开放式环境下更高的冷却速率与氧元素的摄入致使成形件强度提高和塑性降低。在气氛箱体内成形的试样拉伸断口为微孔聚集型断裂,在开放环境下成形的试样拉伸断口为穿晶断裂。

Ti-6Al-4V钛合金激光选区熔化成形工艺及性能研究

将激光功率和扫描速度作为主要的工艺参数,进行了Ti-6Al-4V钛合金激光选区熔化成形(SLM)试验。结果表明,激光功率为300 W,扫描速度为1.0 m/s时,SLM成形试件的抗拉强度达到1150 MPa,伸长率达到9.5%,抗拉强度和伸长率都较高。激光热输入不足时,试块抗拉强度不能满足使用要求,激光热输入过高时,试件塑性降低。对试件分别进行了普通退火、再结晶退火以及固溶时效处理。热处理后,试件的抗拉强度都明显降低,其中再结晶退火热处理后,试块的组织为等轴α+β相,抗拉强度降到893 MPa,伸长率达到11.9%,塑性显著提高。

通过多级热处理实现选区激光熔化Ti-6Al-4V合金强度与塑性平衡

选区激光熔化制造Ti-6Al-4V合金通常表现出高强度与低延展性,需要通过热处理将针状α'马氏体分解为平衡的α+β相来获得优异的力学性能。在优化SLM成形工艺参数的基础上,系统研究了多级热处理对Ti-6Al-4V合金显微组织与拉伸性能的影响。试验结果表明:在最佳工艺参数下,SLM制备Ti-6Al-4V合金的相对密度为99.66%。经应力消除、固溶时效、热等静压处理后,Ti-6Al-4V合金获得了近等轴β晶粒内α集束组成的魏氏组织,相比SLM制造Ti-6Al-4V合金柱状β晶粒内的针状α'马氏体,屈服强度降低252MPa,抗拉强度降低312MPa,伸长率提高8%~9%,拉伸性能满足ASTM F2924-14:2014的指标要求,实现了强度与塑性的平衡。

热积累对激光直接成形Ti-6Al-4V组织和性能的影响

为了研究激光直接成形Ti-6Al-4V中热积累效应对其微观组织和力学性能的影响,采用对比试验的方法,制备了直径分别为5mm和10mm的两个圆柱试样及两组对比拉伸试样。直径为5mm的试样成形时热积累效应明显,底部和顶部的β晶粒内部以马氏体α'组织为主,中部的β晶粒内部以针状α组织为主;直径为10mm的试样热积累效较弱,自底部至顶部均以马氏体α'组织为主。热积累效应强烈的一组拉伸试样拉伸强度略低于热积累效应不明显的一组试样,但塑性约为其3倍。结果表明,激光直接成形Ti-6Al-4V时强烈的热积累效应会降低冷却速率,使微观组织从马氏体α'组织转变为针状α组织,从而使其拉伸强度稍有降低,但塑性提高很多。

高功率及快速扫描对选择性激光熔覆制备Ti-6Al-4V-TiB_w显微结构和力学性能的影响

在Ti-6Al-4V(TC4)中添加质量分数为3%的Ti B2,通过选择性激光熔覆技术(SLM)制备TC4/TiBw复合材料。采用X射线衍射仪(XRD)分析样品的相成分,利用扫描电镜(SEM)配合能谱仪(EDS)观察样品的表面形貌以及特定区域的元素组成,采用维氏硬度仪对材料测试显微硬度,纳米压痕测试特定组织的弹性模量。实验结果表明:在激光功率高、扫描速度快的条件下,晶粒得到细化出现亚晶胞,试样中的相主要以α-Ti形式存在,并且有新的B化物生成,观察到有未完全熔化的Ti-6Al-4V颗粒存在。力学性能测试表明,与传统的铸造工艺相比,本实验中材料的弹性模量(147 GPa)和显微硬度(500~600 HV)都有显著提高。

激光重熔对Ti-6Al-4V选区激光熔化成形质量的影响

目的针对选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)成形Ti-6Al-4V过程中易产生孔隙缺陷、成形质量差等问题,提出“初次扫描+低激光功率重熔”的成形方式,研究激光重熔对SLM成形质量的影响机制以及重熔功率对成形质量的影响规律,优化工艺参数。方法基于ANSYS软件,模拟SLM加工过程及激光重熔过程的熔池、温度场分布,利用金相显微镜观测成形件截面缺陷形态、分布及金相显微组织,并利用显微硬度计及摩擦磨损试验机分别测试成形件的显微硬度及摩擦磨损性能。结果随着激光重熔功率的增大,重熔熔池尺寸增大,温度梯度过渡渐缓,初次扫描形成的缺陷经重熔后得以填补,试件孔隙逐渐减小。当激光重熔功率为120 W时,成形件的致密度达到99.89%;当激光重熔功率为100 W时,成形件的硬度达到444.0HV0.3,相较于未重熔件提高了21.0%,平均摩擦系数为0.396,相较于未重熔件降低了13.73%。结论激光重熔可以有效提高SLM成形件的致密度、显微硬度及摩擦磨损性能。随着激光重熔功率的增大,成形件的熔池范围扩大,初次成形的孔隙尺寸明显减小,成形件中的β相晶界扩展,针状马氏体尺寸增大,显微硬度得以提升。当激光重熔功率为140 W时,熔池剧烈波动,凝固过程中较大的固态收缩使成形质量出现下降趋势。

Ti-6Al-4V钛合金热成形极限图及其应用

在650℃、700℃和750℃温度条件下进行Ti-6Al-4V钛合金成形极限试验,建立其热态成形极限,在此基础上,利用ABAQUS有限元分析软件进行数值模拟,对Ti-6Al-4V钛合金热态成形的破裂缺陷进行预测,并通过试验对其结果进行验证。研究结果显示,随着温度的升高,Ti-6Al-4V钛合金的热成形极限增加,有限元分析结果与试验结果相吻合,表明该文所建立的韧性断裂预测模型具有工程参考价值。

多次激光冲击Ti-6Al-4V钛合金表面纳米化研究

为了研究激光冲击Ti-6Al-4V钛合金下的表面纳米化和微观结构的演变特性,采用短脉冲Nd∶YAG激光器对Ti-6Al-4V钛合金表面分别进行了激光冲击实验,得到了不同激光冲击次数下钛合金表面的微观组织和相应表面硬度。随着激光冲击次数增加,晶粒尺寸逐渐减小并形成纳米晶粒;冲击3次以上时,纳米晶数量明显增多、尺寸分布更加均匀,表面出现取向更加随机的等轴纳米晶;冲击5次后,随着冲击次数增加,钛合金表面纳米晶粒尺寸没有出现明显降低的趋势,始终保持50nm^130nm;不同冲击次数下纳米层的深度不会明显增加,纳米层深度约为15μm^20μm;冲击次数5次以上后,钛合金表面硬度趋于稳定,最大值约为525HV^530HV。结果表明,Ti-6Al-4V钛合金表面纳米化程度随着激光冲击次数的增加而提高;在5次激光冲击后钛合金表面的纳米化程度达到渐饱和状态,表面具有分布较好的纳米晶和较高的硬度。这表明多次激光冲击钛合金表面可以实现晶粒从微米级向纳米级转化。