Ti-1Al-8V-5Fe (Ti-185)等含鐵β -Ti合金因其強(qiáng)度高(抗拉強(qiáng)度高達(dá)1600MPa)、成本低而受到人們的青睞。然而,由于強(qiáng)的Fe元素偏析和β相顆粒的形成,這些合金不能通過鑄錠鑄造生產(chǎn)。本研究中以單質(zhì)Ti、Fe粉末和不規(guī)則形狀的Al-V中間合金粉末為原料,采用選擇性激光熔化(SLM)技術(shù)成功地制備了Ti-185部件。 在本研究中,Ti-185作為一種新型材料被用于選擇性激光熔化(SLM,一種基于粉末床的增材制造技術(shù))的制造中。相對于α + β級(jí),關(guān)于β鈦合金AM的研究很少。這被認(rèn)為是由于可用于SLM制造的粉末很稀有。本工作的主要目的是研制Ti-185合金的打印組件,且具有最小的偏析和孔隙,合理的力學(xué)性能。在金屬加熱過程中,冷卻速率可達(dá)103-104°C/s,這可以大大減少Fe偏析,減少β顆粒的形成,確保獲得最佳的屈服強(qiáng)度和韌性。Eylon和Froes指出,Ti-185應(yīng)該只用于能夠從液體快速轉(zhuǎn)化為固體的過程中。由此可見,增材制造具有高凝固速率的特點(diǎn),是唯一適合加工Ti-185的材料。 相關(guān)研究以題為“Additive manufacturing of a novelTi-Al-V-Fe alloy using selective laser Melting“的論文,被發(fā)表在《Additive Manufacturing》期刊上。
論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.04.006 鈦合金具有較高的比強(qiáng)度和較高的工作溫度。近年來,β -Ti合金因其較高的強(qiáng)度以及較其它Ti合金更好的韌性和抗疲勞性能而得到了廣泛的研究。這些合金含有大量的β穩(wěn)定元素(Mo, V, Cr, Fe)。由于成本高,β -Ti合金的大規(guī)模采用受到限制,這部分是由于Mo、V和Cr合金元素的成本。 Ti-1Al-8V-5Fe (Ti-185)是一種獨(dú)特的低成本β -Ti合金,與Ti-10V-2Fe-3Al (Ti-1023)和Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr (Ti-5553)相比,它含有較低成本的合金元素,特別是Fe,同時(shí)提供高強(qiáng)度和疲勞壽命。盡管Ti-185在50多年前就獲得了專利,但使用傳統(tǒng)的加工方法在商業(yè)上并不可行。這是因?yàn)殍T造過程中Fe發(fā)生了強(qiáng)烈的微偏析,導(dǎo)致成分變化較大,并導(dǎo)致脆性相的析出。在目前Ti-185合金的少數(shù)可實(shí)施應(yīng)用中,多是通過對合金進(jìn)行熱處理,以產(chǎn)生由β基體和晶界初生α相組成的微觀組織,以及晶粒內(nèi)部α析出相的納米級(jí)分布。 Joshi等人開發(fā)了Ti-185的加工路線,即粉末冶金結(jié)合熱機(jī)械加工。這樣就避免了Fe的偏析和有害β斑相的形成(β斑相是富含β穩(wěn)定元素的β相區(qū)域,如Fe和/或Cr)。雖然Ti-185合金性能優(yōu)異(拉伸強(qiáng)度1655MPa,伸長率4 - 6%),但在制作組件時(shí),需要經(jīng)過漫長而昂貴的燒結(jié)處理和多次軋制步驟。Devaraj從相同的材料開始,通過在β -超溫下時(shí)效處理,在β -基體中開發(fā)了具有非常精細(xì)的初生和次生α的分級(jí)納米結(jié)構(gòu)合金。這種顯微組織產(chǎn)生了強(qiáng)度和延展性的獨(dú)特組合,超過了現(xiàn)有的所有商業(yè)鈦合金。
圖1 (a)本研究所用Ti-185粉末的SEM圖像,(b)預(yù)制樣品的XRD圖譜,(c)粒徑分布分析。
圖2 (a, b)在拋光和腐蝕條件下的建成樣品的光學(xué)顯微圖,(c)建成樣品和隨后加熱到1200°c然后水淬的樣品的XRD圖,(d)建成樣品在建成方向的EDS線掃描。(注意:Fe線和V線相互重疊)。
圖3所示。(a)建成結(jié)構(gòu)的光學(xué)顯微圖;(b)來自(a)框的高分辨率圖像,顯示出不均勻的沉淀分布。構(gòu)建方向是垂直的。
圖4所示。由疊加的晶界圖(白點(diǎn)為無索引點(diǎn),實(shí)線為高角度晶界)和(b) (a)中高亮區(qū)域的α相圖(注:β (β)相矩陣中的晶界被初級(jí)α相裝飾,(c)對應(yīng)的鐵(Fe)圖顯示了鐵在α和β (β)區(qū)域之間的分配。
圖5所示。Ti-185合金在SLM和后熱處理過程中的溫度-時(shí)間剖面示意圖。對于O值為0.78 wt.%的Ti-185,平衡熔化溫度為1650℃,β-過渡溫度為980℃。
圖6所示。(a)建成樣品的亮場TEM圖像;(b)衍射圖和(c), (d) α相和ω相的暗場圖像;(e)β基體內(nèi)位錯(cuò)結(jié)構(gòu);(f)分析顯示α β, n d ω,,斑點(diǎn)的衍射圖。
圖7 在(a, c) 800℃時(shí)效1 h和(b, d) 960℃時(shí)效30min時(shí),晶粒尺寸和α析出相的演變。生成方向?yàn)榇怪狈较颉?/p>
圖8 Ti-185試樣的預(yù)制和熱處理(960°C-30min)的真壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線。故障點(diǎn)由交叉標(biāo)識(shí)。
表1 (近)β- β Ti合金的壓縮力學(xué)性能。 最終,用SLM法成功地生產(chǎn)出了一種因鑄錠過程中嚴(yán)重偏析而易發(fā)生脆性的含鐵鈦合金Ti-185。在Ti-185中發(fā)現(xiàn)的小晶粒和這些β顆粒的缺失提供了強(qiáng)有力的冶金證據(jù),表明Ti-185是一種很有前途的SLM材料。強(qiáng)度和塑性的顯著結(jié)合是由于非常細(xì)的晶粒結(jié)構(gòu)、分布在β (β)基體中的納米級(jí)α相、高位錯(cuò)密度以及高氧含量。 通過對預(yù)制構(gòu)件的微觀結(jié)構(gòu)分析表明,SLM可以用于產(chǎn)生具有納米級(jí)析出相和非有害的鐵偏析的非常細(xì)的晶粒組織。這一結(jié)果可以用SLM過程中的快速凝固條件來解釋。壓縮試驗(yàn)結(jié)果表明,無論是打印試樣還是熱處理試樣,都能獲得超高強(qiáng)度和合理的延性。該工藝為增材制造新系列含鐵鈦合金的開發(fā)開辟了一條新的途徑。
審核編輯 :李倩
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原文標(biāo)題:高強(qiáng)度的新型鈦合金—Ti185合金的選擇性激光熔融制造
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