熱處理對(duì)激光選區(qū)熔化成形TC4鈦合金疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響

左柏強(qiáng) 李玉海

摘要：為了探究熱處理對(duì)激光選區(qū)熔化（Selective Laser Melting，SLM）成形TC4鈦合金疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響，采用SLM制備TC4鈦合金，對(duì)其進(jìn)行熱處理，采用空冷的方法進(jìn)行冷卻。熱處理溫度分別為800℃、850℃、900℃和950℃，熱處理時(shí)間為2h。對(duì)熱處理后的試樣進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著熱處理溫度的升高TC4鈦合金的疲勞裂紋擴(kuò)展降低，斷口顯示為解理斷裂，疲勞裂紋多切過α相向前擴(kuò)展。

關(guān)鍵詞：激光選區(qū)熔化 熱處理 疲勞裂紋擴(kuò)展速率

1.引言

激光選區(qū)熔化（Selective Laser Melting，SLM）成形技術(shù)。SLM成形技術(shù)的基本原理為利用UG軟件構(gòu)建三維模型，將三維模型進(jìn)行切片分層處理后，得到零件的各個(gè)分層輪廓信息;將金屬粉末預(yù)鋪在成形臺(tái)上后，利用高能量密度的激光直接熔化每一層的金屬粉末;反復(fù)鋪粉，激光逐層掃描熔化金屬粉末后，最終自上而下沉積出實(shí)體結(jié)構(gòu)件[1，2]

TC4（Ti-6Al-4V）鈦合金為典型的α+β型雙相鈦合金，是目前使用最為廣泛，發(fā)展較為成熟的一種鈦合金。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)在加工過程長產(chǎn)生切削廢料浪費(fèi)材料[3，4]。SLM制備的TC4鈦合金具有高強(qiáng)度[5-7]、低塑性的特點(diǎn)，且大部分學(xué)者對(duì)強(qiáng)塑性匹配的研究居多[8，9]，對(duì)SLM制備的TC4鈦合金斷裂力學(xué)研究較少。故本文采用熱處理來調(diào)節(jié)SLM制備的TC4鈦合金，旨在改變疲勞裂紋擴(kuò)展性能。

2.實(shí)驗(yàn)方法

本論文采用的原料為氣霧化法制備的TC4鈦合金粉末，其粉末的成分、形貌和粒度如表2.1和圖2.1所示，圖2.2為TC4球形粉末的粒度分布，由圖可知粉末的粒徑在4μm-70μm間呈現(xiàn)正態(tài)分布，粉末粒徑集中。

本論文采用德國Concept Laser公司生產(chǎn)的Concept M2 Cusing金屬激光選區(qū)熔化設(shè)備按照表2.2的成形參數(shù)制備TC4鈦合金試件，其試樣成形后示意圖為圖2.2所示。室溫疲勞裂紋擴(kuò)展速率測試完全按照GB/T6398-2000進(jìn)行，制成W=30mm，B=10mm拉伸緊湊試樣，即C（T）試樣。試樣編號(hào)如表2.3。

3.結(jié)果與討論

由圖4.1的S800、S850、S900、S950試樣疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線可知，在應(yīng)力強(qiáng)度因子?K在14 MPa?m0.5-52 MPa?m0.5之間時(shí)，試樣疲勞裂紋擴(kuò)展速率分布在10-5-10-2mm/cycle之間。熱處理溫度高低對(duì)疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展前期的影響較為明顯，對(duì)疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展后期的影響較小，對(duì)于不穩(wěn)定斷裂區(qū)的影響恢復(fù)。

表3.1是對(duì)四個(gè)試樣疲勞裂紋擴(kuò)展速率Pairs區(qū)的擬合結(jié)果，其結(jié)果與本文上一段中所描述的情況基本吻合，C值雖然基本呈現(xiàn)遞減狀態(tài)，隨著熱處理溫度升高，試樣的裂紋擴(kuò)展速率減慢，但擴(kuò)展速率的差值很小，這是在Pairs區(qū)顯微組織對(duì)裂紋擴(kuò)展不敏感所導(dǎo)致的。而900-Z試樣的C值比其他試樣都大，表示其裂紋擴(kuò)展速率最快，但原因還有待研究。

圖3.2為Pairs區(qū)裂紋擴(kuò)展的微觀形貌SEM照片。從斷口上可觀察到主裂紋區(qū)域附近均發(fā)現(xiàn)二次裂紋或微裂紋，穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)主要以解理斷裂為主，存在大量解理臺(tái)階，部分解理臺(tái)階小平面上垂直于裂紋名義擴(kuò)展面相互平行的疲勞輝紋。板條之間的大量二次裂紋，向材料內(nèi)部延伸。

結(jié)論

經(jīng)熱處理后的激光選區(qū)熔化制備的TC4鈦合金，除S900試樣外，疲勞裂紋擴(kuò)展速率隨著熱處理溫度的升高而降低。當(dāng)熱處理溫度為950℃時(shí)其疲勞裂紋擴(kuò)展速率最低。從斷口上可觀察到，穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)存在大量解理臺(tái)階，故其斷裂方式為解理斷裂，存在大量解理臺(tái)階在主裂紋區(qū)域附近均發(fā)現(xiàn)二次裂紋。板條之間的大量二次裂紋，向材料內(nèi)部延伸。

參考文獻(xiàn)

[1]姜海燕，林衛(wèi)凱，吳世彪，陳杰.激光選區(qū)熔化技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2019（05）：223-226.

[2]王兵. 新型選區(qū)激光熔化設(shè)備開發(fā)與工藝研究[D].湖南大學(xué)，2016.

[3]續(xù)文浩，劉公雨，安慶龍，陳明.密齒硬質(zhì)合金涂層刀具銑削TC4鈦合金試驗(yàn)研究[J].工具技術(shù)，2019，53（03）：10-14.

[4]Dr.Ing.H.舒爾茨，王志剛.高速加工發(fā)展概況[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2002（01）：4-8.

[5]張偉祥.TC4合金激光選區(qū)熔化成形工藝及性能研究[D].廣東工業(yè)大學(xué)，2019.

[6]趙志國，柏林，李黎，黃建云.激光選區(qū)熔化成形技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及研究進(jìn)展[J].航空制造技術(shù)，2014（19）：46-49.

[7]宗學(xué)文，劉文杰，張健，楊雨蒙，高中堂.激光選區(qū)熔化與鑄造成形TC4鈦合金的力學(xué)性能分析[J].材料導(dǎo)報(bào)，2020，34（16）：16083-16086.

[8]李慶棠，陳秀思，王方彬.熱處理對(duì)激光選區(qū)熔化鈦合金組織和力學(xué)性能影響[J].世界有色金屬，2019（21）：153-154.

[9]張智昶，劉世鋒，謝燕翔，李安，劉景博，韓松.選區(qū)激光熔化成形TC4鈦合金的微觀組織和力學(xué)性能[J].應(yīng)用激光，2019，39（03）：400-405.

沈陽理工大學(xué) 遼寧 沈陽 110159