SLM增材制造TC4合金微观组织与力学性能研究

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TC4钛合金具有比强度高、抗疲劳特性高、耐腐蚀性好等优异性能,被广泛的应用于医学、航空航天等领域,选区激光熔化(SLM)技术具有快速性、低成本、精度高等一系列优点,可以充分发挥出TC4钛合金的优势。激光扫描速度会对SLM成形TC4合金的缺陷、组织和性能产生较大影响,但目前对激光扫描速度与微观机理演变规律的研究还不够深入,尤其是缺陷的表征和α’马氏体相的形貌特征及取向关系还有待进一步探索。因此,本文对不同激光扫描速度下成形的TC4合金进行系统的缺陷和微观组织表征,同时进行力学性能测试,得到不同激光扫描速度下,SLM成形TC4钛合金缺陷、微观组织与力学性能的演变规律。主要结论如下:SLM制备的TC4钛合金缺陷以小尺寸孔洞为主,孔洞的三维空间分布均匀,形貌并没有规则,有类球形孔洞、环形孔洞,柱状孔洞以及其他形状孔洞。随着激光扫描速度的增加,致密度降低,当激光扫描速度为705 mm/s时,致密度最大,达到99.83%。当激光扫描速度为705 mm/s时,SLM制备的TC4钛合金的抗拉强度、屈服强度、伸长率以及显微硬度最高,分别为:1103.8 MPa、1039.4 MPa、10.4%、344.02 HV0.1,随着激光扫描速度增加,材料的抗拉强度、屈服强度和显微硬度逐渐降低,伸长率变化不大,不同激光扫描速度下材料的断裂类型均属于准解理断裂。SLM制备的TC4钛合金微观组织主要以针状α’马氏体相为主,含有少量残余β相,复杂的热循环过程导致出现不同形貌、尺寸的马氏体,根据马氏体宽度,可将马氏体分为一次α’Ⅰ、二次α’Ⅱ、三次α’Ⅲ、四次α’Ⅳ马氏体,宽度分别为:0.5-1.5μm、200-300 nm、30-50 nm、2-10 nm。随着激光扫描速度增加,一次马氏体的平均宽度降低。此外,组织中还存在着大量的层片状α’相区。SLM成形TC4合金内部形成了高密度位错、层错和大量{1011}<10-12>型孪晶马氏体。SLM成形TC4钛合金中α’相沿着近似<0001>方向上存在择优取向,β相在<001>方向上存在择优取向。随着激光扫描速度增加,α’相取向差变化不明显,β相的小角度晶界逐渐增加,大角度晶界逐渐减少。SLM成形TC4钛合金中α’相和β相满足Burgers取向关系。
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