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EBM成型TC4钛合金研究进展

   2021-03-03 4650
  摘要:电子束熔化成型技术(electron beam melting,EBM)是3D打印的代表性技術之一,特别适合传统工艺不易加工的Ti-6A1-4V合金(TC4钛合金)的快速成型,目前在航空航天、化工、生物医疗等领域展示出巨大的应用前景。从EBM的原理出发,综述了EBM制备TC4合金的显微组织、缺陷以及力学性能。分析了受成型工艺参数和成型件位置等因素影响的冷却速度的变化所导致的TC4钛合金的显微组织发生变化;并指出了导致TC4钛合金出现缺陷的主要原因。EBM成型TC4钛合金的拉伸性能已与锻造TC4钛合金相当,其较低的疲劳强度可以通过热等静压处理提高。
  关键词:电子束熔化成型;TC4钛合金;显微组织;缺陷;力学性能中图分类号:TG 146.2+3文献标志码:A
  TC4钛合金因具有耐腐蚀、比强度高、韧性好、生物相容性优异等特点,广泛应用于航空航天、化工、生物医疗等重要领域。但传统工艺下加工TC4钛合金存在材料利用率低、制造成本高、难变形等缺点,严重限制了TC4钛合金的推广应用,3D(threedimensional,3D)打印技术的出现将改善这一现状。
  3D打印其学名为增材制造(material additivemanufacturing,AM),起源于20世纪90年代的快速成型技术(rapid prototyping,RP)。区别于减材制造,它采用了离散/堆积原理,利用计算机技术将加工零件的3D实体模型切成一系列具有一定厚度的薄片,3D打印设备对加工数据分析处理后连续加工出每一个薄片并进行堆叠,继而形成致密实体零件。3D打印技术适用于加工任何形状的零件,并具有材料利用率高、成本低、高柔性和高集成化等优点,特别适合TC4钛合金的成型。3D打印技术主要有选择性激光熔化成型技术(selective lasermelting,SLM)、激光近净成型技术(laser engineered net shaping,LENS)和电子束熔化成型技术(electron beam melting,EBM)。其中,EBM成型相较于其他两种成型技术有很多优势:(1)EBM成型采用电子束为能量源,制造过程中无反射,能量利用率高;(2)EBM成型是在真空环境下进行的,能够有效避免空气中其他元素的污染;(3)EBM成型由于能量输入高,扫描速度快,所以成型效率比其他成型技术高;(4)EBM成型零件的残余应力较小,可不需要后续热处理,节省能源。
  本文从EBM技术原理出发,对国内外相关研究成果进行归纳总结,阐述不同工艺参数下EBM成型TC4钛合金制件的显微组织、缺陷及其力学性能,最后对其应用前景进行展望。
  1EBM原理及主要参数
  EBM技术的工作原理如图1所示。首先,通过Magicsl9.0软件对零件三维模型按一定的厚度进行切片分层处理,从而获得零件的整体二维信息。然后,EBM系统均匀地将合金粉末按照一定的厚度平铺至基板上,并以电流通过丝形成的电子束作为热源,在聚焦线圈和电磁偏转线圈的作用下,对基板上的合金粉末进行扫描熔化。电子束每扫描熔化一层,工作台就下降一个层高度,然后重新铺粉,电子束重复扫描熔化加工,并且每个加工层相互凝结成为整体。整个制造过程是在真空环境下进行的,从而有效地避免了钛合金在加工过程中被氧化的可能性。制造完成后,EBM系统将零件从建造室中取出并放置在粉末回收系统(powderrecovery system,PRS)中,在PRS中使用高压空气以除去黏附在零件表面上的粉末,最终得到表面光滑的成型零件。
  EBM技术的主要参数有电子束电流、加速电压、扫描速度、层厚度、扫描线间距和焦点补偿等,通过调整这些参数可以获得不同的能量密度,如增大电子束电流或降低扫描速度,就可以获得更高的能量密度。能量密度的大小很大程度上影响了成型件的显微组织、缺陷及力学性能,合适的能量密度将会使合金具有更好的力学性能。由于EBM技术独特的成型工艺,EBM成型TC4钛合金成型件与常规制造(如锻造)TC4钛合金成型件的显微组织和力学性能有所不同。
  2 EBM成型TC4钛合金显微组织及缺陷
  2.1EBM成型TC4钛合金显微组织与影响因素
  EBM成型TC4钛合金在成型过程中的温度变化影响了它的显微组织。首先,粉末在电子束的作用下熔化,液态合金温度达到1700℃左右,远高于TC4钛合金β相转变温度(995℃),此时液态合金由原始的β晶粒构成;而后,随着电子束的远离,液态合金迅速冷却至构建温度(一般为650-700℃)保持稳定,变为固态,此时合金发生α→α+β,析出针状α相与柱状β相。A1-Bermani等认为在此阶段冷却速度大于410℃/s时,会析出亚稳α’马氏体,长时间处在高温环境中又使之分解为α+β层状结构,且大部分为细小的针状α板条,少部分为β相。而后成型TC4钛合金由构建温度缓慢冷却至室温,合金显微组织没有明显改变,仍由α+β相构成。EBM成型TC4钛合金与锻造成型TC4钛合金显微组织如图2所示。
  国内外学者针对EBM成型TC4钛合金显微组织做了大量研究,发现成型工艺参数、成型件的位置、成型件尺寸等因素均会影响成型过程中合金的冷却速率,进而影响其晶粒尺寸。Hrabe等发现,在保证能量输入可以使TC4钛合金粉末完全熔化形成致密零件的条件下,适当增大电子束扫描速度,会造成熔池尺寸减小,冷却速率增大,从而析出更细小的α板条及β相。Murr等和王等发现EBM成型TC4钛合金不同位置的显微组织不同。如图3所示,沉积高度较低的位置,由于更靠近成型基板从而具有较高的冷却速率,是不稳定的生长区,易于析出细小针状α相;沉积高度越高的位置,其α板条越厚,β晶粒越大;沉积一定高度后,处于稳定生长区,α板条以及β晶粒尺寸趋于稳定。Wang等也研究了成型件尺寸对EBM成型TC4钛合金显微组织的影响,发现在逐层熔化凝固过程中,尺寸较小的样品的冷却速率较大,因此析出更为细小的α相。Galarraga等进一步研究发现,EBM成型TC4钛合金显微组织的变化与其在构建室的停留时间有关,如果停留时间过长,反而会造成沉积高度底的位置沉积高度更低、显微组织更粗大的结果。   2.2EBM成型TC4钛合金缺陷由于工艺参数的不当选择或工艺干扰,EBM成型TC4钛合金零部件可能会产生各种缺陷。Zhai等发现EBM成型TC4钛合金显微组织中存在两种典型的缺陷:一种是由缺陷粉末中夹带的氩气引起的孔隙,如图4(a)所示;另一种是由于合金粉末的熔化不良导致的孔隙,见图4(b)。
  Gong等根据输入电子束能量密度的高低将TC4钛合金缺陷分为两大类。当能量密度过低时,不足以使熔池与熔池、层与层之间完全连接,形成了不规则的熔化缺陷,并伴随一定量孔隙。当能量密度过高时,导致局部热量急速上升,粉末熔化时在表面张力的作用下球化(粉末的导热系数低),进而形成的孔隙。Kahnert等发现能量输入过高,不仅会使成型件表面质量变差,严重时还会导致涂粉系统的靶机停止工作,使得制造过程本身必须中止。此外,當电子束电流超过某一阈值,合金粉末会被吹走,在层中留下了不规则的孔隙,严重时会使得整个粉末床发生溃散,如图5所示;对粉末床进行预热,以提高其黏附性,克服电子束对合金粉末的推力,可以避免粉末溃散现象的发生。缺陷会对于C4钛合金的力学性能产生不利的影响,必须优化EBM工艺参数,如控制扫描速度、调整扫描线间距和优化电子束电流等,减少缺陷的产生。
  3 EBM成型TC4钛合金的力学性能
  3.1EBM成型TC4钛合金的拉伸性能
  表1列出了不同EBM成型工艺下TC4钛合金的力学性能。Bruno等研究了EBM成型与锻造成型的TC4钛合金的拉伸性能,由于EBM成型TC4钛合金在成型过程中很容易出现孔隙缺陷,并且其显微组织分布不均匀,导致它的抗拉强度、屈服强度最高分别为996MPa和919MPa,略低于锻造成型的TC4钛合金的强度(抗拉强度和屈服强度分别为1034MPa,991MPa:);王等也研究了EBM成型TC4钛合金的拉伸性能,发现它的抗拉强度为1002MPa,屈服强度为932MPa,伸长率为14.4%,所有的性能指标均高于TC4钛合金锻件经退火时效处理后的性能。
  EBM成型TC4钛合金的力学性能存在显著的各向异性。Bruno等和Hrabe等发现EBM成型样品的水平方向的抗拉强度强于竖直方向的抗拉强度(表1),而成型样品的水平方向的伸长率小于竖直方向的伸长率。这是由于合金内部B晶粒不均匀造成的:成型样品主要沿垂直方向生长;水平方向形成较小的初生β晶粒减小了晶界处的应力堆积,从而延缓了裂纹萌生,使之具有略大的伸长率。
  Hrabe等发现电子束扫描速度(与能量密度负相关)增大会使α板条的厚度略微减小(1.16μm→0.95un),进而使抗拉强度、屈服强度和显微硬度分别提高了2%,3%和2%。
  Formanoir等将EBM成型TC4钛合金分别在950℃保温60min和1040℃保温30min,均采用水冷和空冷两种冷却方式,合金的抗拉强度和屈服强度略有降低,伸长率未得到显著提高,表明只有控制EBM成型关键参数是提高合金性能的有效方法。
  3.2 EBM成型TC4钛合金的疲劳性能
  Chan等测试了EBM成型TC4钛合金与轧制TC4钛合金在600MPa(±10%)的交变弯曲应力作用下的疲劳寿命(循环次数)。结果表明EBM成型TC4钛合金的疲劳寿命仅为轧制合金的疲劳寿命的17%;EBM成型TC4钛合金的断口处分布着由于熔化不良区域导致的不同形状的孔隙,且其表面粗糙度也远高于轧制TC4钛合金,这是其低疲劳寿命的重要原因。
  Tammas-Williams等发现热等静压(hotisostatic pressing,HIP)处理能有效地消除EBM成型TC4钛合金中的绝大部分孔隙,如图6所示。但如果样品中存在一些隧道孔并且连接到表面,HIP处理下的高压氩气会渗透到隧道孔中,使得这些隧道缺陷轻微扩张,造成HIP处理失效;在HIP前对样品添加涂层,可去除隧道缺陷。Shui等发现EBM成型的TC4钛合金经HIP处理后,虽然。板条变厚,位错密度降低,抗拉强度以及屈服强度分别由870MPa和788MPa降至819MPa和711MPa,但HIP处理使组织变得更加均匀,合金相对密度由99.3%上升至99.8%,减少了裂纹萌生源,进而使疲劳强度由460boa升高至580MPa。
  4 结束语
  综上所述,国内外针对EBM成型TC4钛合金的研究结果表明:EBM成型TC4钛合金宏观组织为沿构建方向生长的柱状晶,显微组织为α+β层状结构,冷却速率越快,越易得到更精细的显微组织。优化工艺参数使EBM具有最佳能量密度,能有效避免大量缺陷的产生。后续HOP处理也能够去除孔隙并使显微组织均匀,虽然导致晶粒粗化、降低位错密度,合金强度略有下降,但却能显著提高疲劳性能。优化EBM成型过程的各项参数,辅以恰当的后续处理,能够获得与常规铸锻方式性能相当的TC4钛合金。EBM节省原材料、速度快、效率高,便于复杂形状工件成型,必将逐步取代目前的减材制造方式应用于航空航天、化工和医疗等领域。
 
标签: TC4钛合金
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