电子束选区熔化成形Ti-6Al-4V合金薄壁件组织性能研究

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电子束选区熔化成形(Selective Electron Beam Melting,SEBM)是一种基于粉床熔化技术的增材制造技术,具有能量利用率高、扫描速度快、真空环境无污染等技术优点,在制备钛合金等活性金属方面拥有显著优势。SEBM技术特有的预热工艺,可以有效降低成形零件中的残余应力,最大限度降低零件变形开裂的可能,可满足钛合金薄壁件的制备要求。目前已有文献报道仅对SEBM成形棒状标准试样的力学性能进行了分析,而薄板标准试样的力学数据鲜见报道,并且对于薄板试样的分析大多集中于SEBM制备Ti-6Al-4V沉积态薄板试样,缺少对薄板试样热等静压工艺的研究以及工业应用Ti-6Al-4V薄壁构件显微组织、力学性能的分析,无法起到指导工业生产的作用。本文以气雾化法制备Ti-6Al-4V球形粉末为原料,利用Arcam A2 SEBM设备制备了 Ti-6Al-4V薄板样品,依据GB/T228-2010标准对薄板样品进行了力学性能测试,同时利用光学显微镜、扫描电子显微镜、拉伸试验机等设备研究了成形样品摆放方式对SEBM成形薄板的密度、显微组织及力学性能的影响,并通过对热等静压处理后SEBM成形Ti-6Al-4V薄板显微组织及力学性能的分析,系统研究了不同热等静压工艺对于SEBM成形薄板样品的影响,最后应用SEBM技术制备了工业应用Ti-6Al-4V薄壁构件,并对其显微组织、力学性能进行了详细研究。论文工作取得如下结论:1.不同摆放方式SEBM成形Ti-6Al-4V薄板样品致密度达到99.3%;成形过程中存在温度梯度造成薄板的显微组织不均匀;不同摆放方式成形Ti-6Al-4V薄板拉伸性能均满足ASTM薄板拉伸性能标准,并且竖直方式成形薄板拉伸强度要高于水平方式成形薄板。2.900℃以上温度HIP处理后,薄板内部的气孔缺陷得到消除,致密度提高到99.8%;α’马氏体分解完全,样品显微组织得到均匀化改善;在高强度获得保证的同时,延伸率得到大幅提高;920℃HIP处理后的薄板高周疲劳强度为550MPa,接近轧制热退火态Ti-6Al-4V薄板疲劳性能。3.应用SEBM技术成功制备出Ti-6Al-4V薄壁构件(长:214mm,宽:78mm,高:175mm,厚:3~4.51mm);:SEBM成形Ti-6Al-4V薄壁构件的密度及显微组织与同工艺成形的薄板组织一致;薄壁构件的平均抗拉强度为1005MPa,与同工艺成形薄板强度相一致,高出ASTM轧制Ti-6Al-4V薄板强度标准1 2%,平均硬度为346HV,达到ASTM铸造Ti-6Al-4V合金硬度(335HB)。
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