左柏強 李玉海
摘要:為了探究熱處理對激光選區(qū)熔化(Selective Laser Melting,SLM)成形TC4鈦合金疲勞裂紋擴展速率的影響,采用SLM制備TC4鈦合金,對其進行熱處理,采用空冷的方法進行冷卻。熱處理溫度分別為800℃、850℃、900℃和950℃,熱處理時間為2h。對熱處理后的試樣進行疲勞裂紋擴展速率試驗,發(fā)現(xiàn)隨著熱處理溫度的升高TC4鈦合金的疲勞裂紋擴展降低,斷口顯示為解理斷裂,疲勞裂紋多切過α相向前擴展。
關(guān)鍵詞:激光選區(qū)熔化 熱處理 疲勞裂紋擴展速率
1.引言
激光選區(qū)熔化(Selective Laser Melting,SLM)成形技術(shù)。SLM成形技術(shù)的基本原理為利用UG軟件構(gòu)建三維模型,將三維模型進行切片分層處理后,得到零件的各個分層輪廓信息;將金屬粉末預鋪在成形臺上后,利用高能量密度的激光直接熔化每一層的金屬粉末;反復鋪粉,激光逐層掃描熔化金屬粉末后,最終自上而下沉積出實體結(jié)構(gòu)件[1,2]
TC4(Ti-6Al-4V)鈦合金為典型的α+β型雙相鈦合金,是目前使用最為廣泛,發(fā)展較為成熟的一種鈦合金。TC4鈦合金具有較高的強度和硬度變形抗力大等特點,因此傳統(tǒng)的減材加工,在加工TC4鈦合金時操作較為復雜,對刀具強度要求較高。增加加工時間,同時在加工過程長產(chǎn)生切削廢料浪費材料[3,4]。SLM制備的TC4鈦合金具有高強度[5-7]、低塑性的特點,且大部分學者對強塑性匹配的研究居多[8,9],對SLM制備的TC4鈦合金斷裂力學研究較少。故本文采用熱處理來調(diào)節(jié)SLM制備的TC4鈦合金,旨在改變疲勞裂紋擴展性能。
2.實驗方法
本論文采用的原料為氣霧化法制備的TC4鈦合金粉末,其粉末的成分、形貌和粒度如表2.1和圖2.1所示,圖2.2為TC4球形粉末的粒度分布,由圖可知粉末的粒徑在4μm-70μm間呈現(xiàn)正態(tài)分布,粉末粒徑集中。
本論文采用德國Concept Laser公司生產(chǎn)的Concept M2 Cusing金屬激光選區(qū)熔化設備按照表2.2的成形參數(shù)制備TC4鈦合金試件,其試樣成形后示意圖為圖2.2所示。室溫疲勞裂紋擴展速率測試完全按照GB/T6398-2000進行,制成W=30mm,B=10mm拉伸緊湊試樣,即C(T)試樣。試樣編號如表2.3。
3.結(jié)果與討論
由圖4.1的S800、S850、S900、S950試樣疲勞裂紋擴展速率曲線可知,在應力強度因子?K在14 MPa?m0.5-52 MPa?m0.5之間時,試樣疲勞裂紋擴展速率分布在10-5-10-2mm/cycle之間。熱處理溫度高低對疲勞裂紋穩(wěn)定擴展前期的影響較為明顯,對疲勞裂紋穩(wěn)定擴展后期的影響較小,對于不穩(wěn)定斷裂區(qū)的影響恢復。
表3.1是對四個試樣疲勞裂紋擴展速率Pairs區(qū)的擬合結(jié)果,其結(jié)果與本文上一段中所描述的情況基本吻合,C值雖然基本呈現(xiàn)遞減狀態(tài),隨著熱處理溫度升高,試樣的裂紋擴展速率減慢,但擴展速率的差值很小,這是在Pairs區(qū)顯微組織對裂紋擴展不敏感所導致的。而900-Z試樣的C值比其他試樣都大,表示其裂紋擴展速率最快,但原因還有待研究。
圖3.2為Pairs區(qū)裂紋擴展的微觀形貌SEM照片。從斷口上可觀察到主裂紋區(qū)域附近均發(fā)現(xiàn)二次裂紋或微裂紋,穩(wěn)態(tài)擴展區(qū)主要以解理斷裂為主,存在大量解理臺階,部分解理臺階小平面上垂直于裂紋名義擴展面相互平行的疲勞輝紋。板條之間的大量二次裂紋,向材料內(nèi)部延伸。
結(jié)論
經(jīng)熱處理后的激光選區(qū)熔化制備的TC4鈦合金,除S900試樣外,疲勞裂紋擴展速率隨著熱處理溫度的升高而降低。當熱處理溫度為950℃時其疲勞裂紋擴展速率最低。從斷口上可觀察到,穩(wěn)態(tài)擴展區(qū)存在大量解理臺階,故其斷裂方式為解理斷裂,存在大量解理臺階在主裂紋區(qū)域附近均發(fā)現(xiàn)二次裂紋。板條之間的大量二次裂紋,向材料內(nèi)部延伸。
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沈陽理工大學 遼寧 沈陽 110159