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电脉冲处理对选区激光熔化成形TiC/Ti6Al4V组织及性能影响机理研究

电脉冲处理对选区激光熔化成形TiC/Ti6Al4V组织及性能影响机理研究

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作者：范炜航哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

Ti6Al4V合金由于具有较高的比强度和优良的耐腐蚀性等性能,是目前应用最广泛的钛合金。然而其耐磨性较差、硬度较低,因此常采用TiC陶瓷颗粒作为增强相,提高其强度、耐磨性等性能。选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)可以实现复... 详细信息

Ti6Al4V合金由于具有较高的比强度和优良的耐腐蚀性等性能,是目前应用最广泛的钛合金。然而其耐磨性较差、硬度较低,因此常采用TiC陶瓷颗粒作为增强相,提高其强度、耐磨性等性能。选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)可以实现复杂零件的近净成形,有利于钛基复合材料的制备。然而,利用SLM制备的钛基复合材料因为缺陷、脆性第二相以及冷却较快产生的马氏体而存在塑性差的问题。电脉冲处理是一种高效的金属材料后处理手段,对愈合缺陷以及减少马氏体都有一定的作用。因此,本文采用选区激光熔化技术制备TiC/Ti6Al4V复合材料,研究工艺参数对Ti6Al4V合金基体材料以及TiC/Ti6Al4V复合材料的组织及性能的影响规律,并对TiC/Ti6Al4V复合材料进行电脉冲处理,研究电脉冲处理对复合材料组织及性能的影响规律及作用机制。研究结果表明:激光能量密度对Ti6Al4V合金的组织及性能影响较大,增加激光功率或减小扫描速度会提高成形过程中的能量密度,使得粉末更易熔化,减少了合金中的未熔合缺陷,同时钛合金内部柱状晶尺寸增大。其硬度因未熔合缺陷减少而随能量密度增大而增大。Ti6Al4V合金的抗拉强度随能量密度增加先上升后下降。能量密度较低时,未熔合缺陷使得钛合金强度较低,而能量密度过高时,因柱状晶尺寸增大使得强度开始下降。激光功率200 W、扫描速度0.8 m/s的工艺参数制备的Ti6Al4V合金的延伸率达到6.0%,同时抗拉强度达到1286.8 MPa,具有优异的综合性能。采用相同的工艺参数制备TiC/Ti6Al4V复合材料,能量密度不足以很好地熔化混合粉末,因此随着TiC含量增加,未熔合缺陷增加。由于TiC提供了形核质点,βTi柱状晶及内部的αTi尺寸随着TiC含量的增加而减小,并形成了大量等轴βTi晶粒。除细晶强化外,TiC还通过固溶强化以及第二相强化机制提高了复合材料的硬度和强度。激光功率200 W、扫描速度0.8 m/s的工艺参数制备的TiC体积分数为0.5%的TiC/Ti6Al4V复合材料的抗拉强度达到1383.5 MPa,延伸率只有1.1%。因为缺陷增加,加入TiC后复合材料塑性大幅度下降。TiC体积分数为1.0%的TiC/Ti6Al4V复合材料也因此未屈服就断裂,抗拉强度较低仅为1233.9 MPa,甚至小于钛合金。随着能量密度增加,复合材料中缺陷逐渐减少,βTi尺寸逐渐增大。由于晶粒尺寸变大材料硬度有所下降。随着能量密度由50 J/mm3增加到111.11 J/mm3,缺陷减少,TiC体积分数为1.0%的TiC/Ti6Al4V复合材料强度有所提高,抗拉强度可超过1450 MPa,明显高于0.5%TiC/Ti6Al4V复合材料。针对选区激光熔化制备的TiC/Ti6Al4V复合材料存在较多缺陷的问题,采用数值模拟的方法模拟了带有缺陷的复合材料试样在电脉冲处理过程中的温度场及应力场。模拟结果表明,因电流绕过缺陷而在缺陷附近产生了电流密度差,使得热量在缺陷处分布不均匀,从而产生了热应力,使得缺陷附近发生了塑性变形,缺陷逐渐愈合。提高电压后温度进一步提高、应力进一步增大,缺陷愈合程度更高。首先对1.0%TiC/Ti6Al4V复合材料进行了电脉冲处理试验,90 V电脉冲处理后缺陷有所减少,孔隙率由2.23%降低到1.41%。因处理时间较长,在热效应的影响下,初生βTi以及内部的αTi尺寸都有所增加。复合材料显微硬度和延伸率因未熔合缺陷的减少而有所升高,强度则因为晶粒尺寸增大而有所下降。采用更短的处理时间以及降低电压对选区激光熔化0.5%TiC/Ti6Al4V复合材料进行电脉冲处理试验,发现60 V电脉冲处理后的复合材料中未熔合缺陷尺寸大幅度减少,气孔数量及尺寸略有下降。90 V处理后未熔合缺陷基本消失,气孔数量及尺寸继续下降。此外,经过电脉冲处理后,复合材料中出现了细小的等轴组织,这是因为电脉冲处理过程中发生了再结晶。随着脉冲电压的提高,更高的温度及应力促进了再结晶过程,等轴晶粒数量增多。在缺陷减少以及晶粒细化的共同作用下TiC/Ti6Al4V复合材料显微硬度和延伸率随着脉冲电压的增加不断增大。然而,因为位错密度的下降,最终复合材料的强度略有下降。90 V电脉冲处理后1.0%TiC/Ti6Al4V复合材料延伸率从0%提升到3.7%,抗拉强度由1233.9 MPa降低到1167.9 MPa。90 V电脉冲处理的0.5%TiC/Ti6Al4V复合材料具有优异的综合性能,屈服强度为1330.3 MPa,抗拉强度为1344.5 MPa,延伸率则从沉积态的1.2%提高到了4.5%。

关键词：选区激光熔化 TiC/Ti6Al4V 电脉冲处理微观组织力学性能

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