增材制造TC4合金纳米压痕试验研究

作     者：田宪会 

作者单位：内蒙古工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨诗婷

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：选区激光熔化 Ti-6Al-4V 尺寸效应 蠕变 热处理 

摘      要：Ti-6Al-4V(TC4)合金是钛合金家族用途非常广泛的一种材料,具有冲击韧性高、弹性模量低、耐腐蚀等优点。随着工业社会的不断发展,人们对材料构件的大小、形状有了更加精密、复杂的要求,传统的减材制造技术较难实现此目标,以激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)为代表的增材制造技术完美地解决了这些难题。本文以激光选区熔化沉积态和退火态的TC4合金为研究对象,通过纳米压痕连续刚度法对沉积态TC4合金进行纳米压痕测试,分析材料在纳米尺度下的力学性能,获得TC4合金在纳米尺度下的接触刚度、弹性模量,硬度等力学参数;使用光学显微镜和扫描电镜观测沉积态和各退火温度下的显微组织结构;基于纳米压痕准静态测试法测量沉积态和退火态TC4合金的纳米硬度随控制载荷的变化以及在室温状态下的蠕变位移和蠕变应力指数,并分析两种状态下的压痕尺寸效应和蠕变机制,结论如下所示:1.对激光选区熔化沉积态TC4合金进行力学性能测试,得到弹性模量约为145.06GPa,硬度约为4.05GPa,接触刚度约为7.5×10m N·nm,硬度表现出十分明显的压痕尺寸效应;沉积态TC4合金晶内包含较多针状马氏体,组织内的针状马氏体随着温度的升高而逐渐分解为α相和β相,随着退火温度逐渐升高,网篮状组织逐渐取代魏氏组织,在纳米尺度下钛合金的硬度和弹性回复率都有着明显的提高。2.激光选区熔化沉积态和退火态TC4合金均出现了明显的压痕尺寸效应。即所测纳米硬度随着外载荷的增大而逐渐减小。通过迈耶方程(Meyer)、比例阻力式样模型(PSR)、Nix-Gao模型验证压痕尺寸效应,迈耶指数n均小于2;PSR模型计算所得硬度在3.5～4.5Gpa之间,在实验结果允许范围内波动;Nix-Gao模型计算所得显微特征深度h在100～200nm之间,与实验观测的尺寸效应逐渐减弱的临界深度基本一致。三者相比,PSR和Nix-Gao模型的描述较为全面。3.当控制载荷为100m N、保载时间为200s时,激光选区熔化沉积态TC4合金的蠕变应力指数n为26.56,激光选区熔化各退火态(600℃～900℃)TC4合金的蠕变应力指数n分别为35.58、38.42、35.01、33.54。因为退火处理形成网篮状组织限制了材料在蠕变阶段的变形,使其抗蠕变能力提高。