激光近净成形高强韧钛合金组织与性能研究

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高强韧钛合金具有强度高和断裂韧性高等特点,在航空、航天领域具有广泛的应用。采用传统工艺制备大型钛合金结构件存在工艺复杂、工序长、成本高昂和对制造装备要求高等缺点。增材制造技术(Additive Manufacture,AM)即3D打印技术是一种采用高能束热源,通过材料逐层堆积,实现构件无模成形的数字化制造技术。具有成形周期短、制造成本低和无模制造等优点。目前广泛应用于金属的3D打印技术主要有:激光选区熔化成形(SLM)、激光近净成形(LENS)、电子束选区熔化成形(SEBM)和电子束熔丝沉积成形(EBF)。其中,激光近净成形技术具有明显的快速熔凝特征、无需后处理、沉积态组织致密等突出优点,特别适合于航空航天用大型复杂结构件的加工。本文以旋转电极法制备的Ti-1300钛合金球形粉末为原料,采用激光近净成形技术成形后得到沉积态样品。一方面研究了 LENS成形Ti-1300钛合金沉积态样品组织与性能。另一方面探索了退火、固溶时效(STA)、退火缓慢冷却时效(BASCA)热处理和循环冷却时效热处理四种不同热处理工艺对激光近净成形Ti-1300钛合金显微组织和力学性能的影响。主要得到如下结论:激光近净成形Ti-1300钛合金宏观晶粒由柱状晶区和等轴晶区混合分布组成,晶粒大小贯穿于多个沉积层。柱状晶区形成细针状α相,而等轴晶区形成棒状α相,说明沉积态组织并不均匀。沉积态拉伸性能为σb=1160MPa,σ0.2=1106MPa,δ=8.7%,ψ=23%。对合金进行退火发现,退火温度从680℃升至860℃过程中,α相板条数量随着温度升高不断减少直至消失。在β相区对合金进行固溶时效(STA)热处理后发现,其显微组织结构为典型的片层组织。当固溶温度一定时,随着时效温度的升高,时效α相片层厚度不断增加,合金强度逐渐降低,塑性逐渐提高。在α+β相区对合金进行固溶时效(STA)后发现其显微组织由项链状晶界α相、棒状α相和针状次生α相组成。当时效温度一定时,激光近净成形Ti-1300钛合金棒状α相含量随着固溶温度提高而逐渐减小,而α相形态并未受到很大的影响。合金强度随着固溶温度的提高而提高,塑性则呈现相反的趋势。BASCA热处理合金显微组织中α相呈现出棒状且断断续续情况很明显,时效α相呈现出明显的针状。当炉冷冷却速率为5℃/min时,其抗拉强度和屈服强度分别达到1248MPa和1206MPa,延伸率和断面收缩率分别达到6.0%和25%。BASCA热处理工艺能充分调整合金显微组织中α相形态及分布,其强度和塑性可以达到最佳匹配。循环热处理+时效热处理后,合金显微组织由板条初生α相、等轴初生α相以及针状次生α相组成。当循环下限温度为600℃时,其力学性能达到最佳,其中 σb=980MPa,σ0.2=907MPa,δ=16.0%,ψ=33%。常规退火、固溶时效热处理工艺对激光近净成形Ti-1300钛合金显微组织调整非常有限。而循环冷却+时效热处理工艺能最大限度对α相的形态和分布进行调整,最大程度提高合金塑性。
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