激光选区熔化Ti6Al4V合金工艺及多孔结构性能研究

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Ti6A14V合金具备高比强度、耐腐蚀和良好的生物相容性等众多优异性能,在航空航天、生物医疗等方面的应用越来越多,同时也成为了金属增材制造领域使用最广泛的一种材料。为充分发挥金属增材制造的优势,利用激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)制备高精度高性能的复杂多孔结构并进行相关性能研究成为当前的研究热点。首先,本文以Ti6A14V球形粉末为主要成形材料,进行了激光选区熔化工艺参数优化,揭示了不同成形工艺参数对Ti6A14V样件致密度、拉伸、冲击等性能的影响规律,分析了拉伸、冲击断裂机制以及不同工艺参数下显微组织的差异。获得了最优的SLM制备Ti6A14V工艺参数:激光功率80 W,扫描速度500 mm/s,扫描间距80 μm。此时,获得的Ti6A14V合金成形件致密度为99.45%,抗拉强度为1188 MPa,延伸率为9.5%,冲击韧性为24.13 J/cm2。随后,研究了退火和固溶时效处理对SLM成形Ti6A14V合金的显微组织、物相组成以及力学性能的影响规律。试验结果表明,SLM成形Ti6A14V合金在热处理后延伸率、冲击韧性、疲劳寿命等得到了一定提升。其中,经过850℃保温2小时炉冷后,Ti6A14V合金的延伸率由SLM成形态的9.5%提升到12.5%,冲击韧性由SLM成形态的24.13 J/cm2提升到47.51 J/cm2。经过1050℃保温2h炉冷后,冲击韧性提升到49.22 J/cm2,在350MPa恒定应力幅下的疲劳寿命由SLM成形态的4.8×104周次提升到8.6×104周次。最后,本文基于优化的工艺参数,还研究了杆系和薄板类型周期多孔结构的压缩力学性能和能量吸收特性,得出SLM成形Ti6A14V合金多孔结构的压缩断裂主要为弹脆性断裂。本文通过对压缩结果进行拟合,建立了三周期极小曲面(Triply Periodic Minimal Surface,TPMS)Ti6A14V 合金薄板结构的 Gibson-Ashby修正预测方程。通过改变多孔结构的相对密度可调控多孔结构的强度和弹性模量,并获得所需的机械力学性能。试验结果表明,相比较杆系多孔结构,TPMS薄板多孔结构表现出较优异的变形模式,因此获得了更好的能量吸收效果,其中,TPMS-Diamond薄板多孔结构显示出最佳的能量吸收能力。
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