固溶熱處理對(duì)激光增材制造TC4鈦合金拉伸性能的影響

姜沐池 李玉海

分類號(hào) TG166.5

摘要：為了探究固溶熱處理對(duì)激光增材制造TC4鈦合金力學(xué)性能的影響，采用激光熔覆沉積方法成型TC4鈦合金，對(duì)其進(jìn)行固溶熱處理，采用水冷的方法進(jìn)行冷卻。固溶溫度分別為850℃、900℃、940℃、980℃、1020℃，固溶時(shí)間為2h。對(duì)固溶熱處理后的試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著固溶溫度室的升高TC4鈦合金的抗拉強(qiáng)度增加，其斷裂延伸率先增加在降低。綜合分析當(dāng)固溶溫度為940℃時(shí)，激光增材制造TC4鈦合金的拉伸性能最佳。

關(guān)鍵詞：激光增材制造;固溶熱處理;拉伸性能

引言

目前應(yīng)用最廣泛的鈦合金牌號(hào)是TC4（Ti-6Al-4V）鈦合金。TC4鈦合金作為雙相鈦合金，可以通過(guò)不同的制造工藝以及熱處理制度來(lái)改變?chǔ)料嗪挺孪嗟捏w積分?jǐn)?shù)、尺寸大小以及形態(tài)分布。TC4鈦合金的組織穩(wěn)定，性能變化范圍大，所以它具有良好的綜合性能，可以滿足不同的設(shè)計(jì)與使用要求，被廣泛的應(yīng)用在各種領(lǐng)域[1-4]。

TC4鈦合金具有較高的強(qiáng)度和硬度變形抗力大等特點(diǎn)，因此傳統(tǒng)的減材加工，在加工TC4鈦合金時(shí)操作較為復(fù)雜，對(duì)刀具強(qiáng)度要求較高。增加加工時(shí)間，同時(shí)在加工過(guò)程長(zhǎng)產(chǎn)生切削廢料浪費(fèi)材料。因此本文采用激光增材制造的方法來(lái)成型TC4鈦合金[5，6]。激光增材制造俗稱3D打印，其通過(guò)計(jì)算機(jī)將零件的三維模型進(jìn)行分層處理，逐層打印，可以成型復(fù)雜結(jié)構(gòu)及薄壁類零部件。采用激光增材制造技術(shù)加工零部件，縮短了加工時(shí)間，節(jié)約材料成本[7，8]。

TC4鈦合金作為典型的雙相鈦合金，可以通過(guò)熱處理的方法來(lái)改變其α相和β相的體積分?jǐn)?shù)，進(jìn)而影響其力學(xué)性能[9]。本文通過(guò)改變固溶溫度，來(lái)探究不同固溶溫度對(duì)激光增材制造TC4鈦合金拉伸性能的影響。

一、實(shí)驗(yàn)方法

合金原料采用預(yù)合金粉末，粉末粒度為50～270 μm其顯微形貌如圖1所示，從圖片可粉末具有較好的球形度，表面光滑在成型過(guò)程中可以有效的反射激光，減少缺陷。

本文采用LDM800同軸送粉式金屬增材制造設(shè)備進(jìn)行樣品制備，樣品尺寸為，樣品如圖2所示，成型方式為激光同軸送粉成型。主要成型參數(shù)如表1所示激光功率1800W，掃描速度10m/s。激光掃描方式見(jiàn)圖2。試樣成分如表2所示

二、結(jié)果與討論

如圖4（a）所示為固溶熱處理后激光增材制造TC4鈦合金的抗拉強(qiáng)度，從圖中可以看出隨著固溶溫度增加，TC4鈦合金的抗拉強(qiáng)度先升高在降低。圖4（b）為固溶熱處理后激光增材制造TC4鈦合金的斷后延伸率，從圖中可以看出隨著固溶溫度的增加，TC4鈦合金的斷后收縮率先升高在下降，在900℃時(shí)其延伸率最大。

表3為固溶熱處理后激光增材制造TC4鈦合金的拉伸性能，從表中可以看出原始態(tài)TC4鈦合金其抗拉強(qiáng)度為848Mpa，隨著固溶溫度的增加，當(dāng)固溶溫度為980℃時(shí)，其抗拉強(qiáng)度為971Mpa，當(dāng)固溶溫度為1020℃時(shí)，其抗拉強(qiáng)度為956.5Mpa，與980℃相比固溶溫度為1020℃時(shí)的抗拉強(qiáng)度略有降低。整體來(lái)看經(jīng)固溶熱處理后的激光增材制造TC4鈦合金其強(qiáng)度增加。當(dāng)固溶溫度增加至900攝氏度時(shí)，斷后延伸率為22%。由原始態(tài)到900℃固溶熱處理，TC4鈦合金的斷后收縮率呈上升趨勢(shì)。900℃以后隨著固溶溫度繼續(xù)增加，激光增材制造TC4鈦合金的斷后收縮率快速降低。

綜合以上分析結(jié)果，當(dāng)固溶溫度為940℃時(shí)，激光增材制造TC4鈦合金的拉伸性能最優(yōu)。

結(jié)論

經(jīng)固溶熱處理后的激光增材制造TC4鈦合金，其強(qiáng)度隨著固溶溫度的增加，先升高在降低。當(dāng)固溶溫度為980℃時(shí)其強(qiáng)度達(dá)到最高。其斷后延伸率隨著固溶溫度的增加，先升高在降低，當(dāng)固溶溫度為900攝氏度時(shí)其斷后延伸率最高，此后開(kāi)始下降，綜合考慮當(dāng)固溶溫度為940℃時(shí)，激光增材制造TC4鈦合金的拉伸性能最優(yōu)。

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作者簡(jiǎn)介：姜沐池（1995—）男，漢族，籍貫：遼寧省寬甸滿族自治縣，材料技工工程專業(yè)，研究方向?yàn)槟坛尚团c控制技術(shù)，鈦合金增材制造

（沈陽(yáng)理工大學(xué)?遼寧沈陽(yáng) 110159）