左柏强 李玉海

摘要：为了探究热处理对激光选区熔化（Selective Laser Melting，SLM）成形TC4钛合金疲劳裂纹扩展速率的影响，采用SLM制备TC4钛合金，对其进行热处理，采用空冷的方法进行冷却。热处理温度分别为800℃、850℃、900℃和950℃，热处理时间为2h。对热处理后的试样进行疲劳裂纹扩展速率试验，发现随着热处理温度的升高TC4钛合金的疲劳裂纹扩展降低，断口显示为解理断裂，疲劳裂纹多切过α相向前扩展。

关键词：激光选区熔化 热处理 疲劳裂纹扩展速率

1.引言

激光选区熔化（Selective Laser Melting，SLM）成形技术。SLM成形技术的基本原理为利用UG软件构建三维模型，将三维模型进行切片分层处理后，得到零件的各个分层轮廓信息;将金属粉末预铺在成形台上后，利用高能量密度的激光直接熔化每一层的金属粉末;反复铺粉，激光逐层扫描熔化金属粉末后，最终自上而下沉积出实体结构件[1，2]

TC4（Ti-6Al-4V）钛合金为典型的α+β型双相钛合金，是目前使用最为广泛，发展较为成熟的一种钛合金。TC4钛合金具有较高的强度和硬度变形抗力大等特点，因此传统的减材加工，在加工TC4钛合金时操作较为复杂，对刀具强度要求较高。增加加工时间，同时在加工过程长产生切削废料浪费材料[3，4]。SLM制备的TC4钛合金具有高强度[5-7]、低塑性的特点，且大部分学者对强塑性匹配的研究居多[8，9]，对SLM制备的TC4钛合金断裂力学研究较少。故本文采用热处理来调节SLM制备的TC4钛合金，旨在改变疲劳裂纹扩展性能。

2.实验方法

本论文采用的原料为气雾化法制备的TC4钛合金粉末，其粉末的成分、形貌和粒度如表2.1和图2.1所示，图2.2为TC4球形粉末的粒度分布，由图可知粉末的粒径在4μm-70μm间呈现正态分布，粉末粒径集中。

本论文采用德国Concept Laser公司生产的Concept M2 Cusing金属激光选区熔化设备按照表2.2的成形参数制备TC4钛合金试件，其试样成形后示意图为图2.2所示。室温疲劳裂纹扩展速率测试完全按照GB/T6398-2000进行，制成W=30mm，B=10mm拉伸紧凑试样，即C（T）试样。试样编号如表2.3。

3.结果与讨论

由图4.1的S800、S850、S900、S950试样疲劳裂纹扩展速率曲线可知，在应力强度因子?K在14 MPa?m0.5-52 MPa?m0.5之间时，试样疲劳裂纹扩展速率分布在10-5-10-2mm/cycle之间。热处理温度高低对疲劳裂纹稳定扩展前期的影响较为明显，对疲劳裂纹稳定扩展后期的影响较小，对于不稳定断裂区的影响恢复。

表3.1是对四个试样疲劳裂纹扩展速率Pairs区的拟合结果，其结果与本文上一段中所描述的情况基本吻合，C值虽然基本呈现递减状态，随着热处理温度升高，试样的裂纹扩展速率减慢，但扩展速率的差值很小，这是在Pairs区显微组织对裂纹扩展不敏感所导致的。而900-Z试样的C值比其他试样都大，表示其裂纹扩展速率最快，但原因还有待研究。

图3.2为Pairs区裂纹扩展的微观形貌SEM照片。从断口上可观察到主裂纹区域附近均发现二次裂纹或微裂纹，稳态扩展区主要以解理断裂为主，存在大量解理台阶，部分解理台阶小平面上垂直于裂纹名义扩展面相互平行的疲劳辉纹。板条之间的大量二次裂纹，向材料内部延伸。

结论

经热处理后的激光选区熔化制备的TC4钛合金，除S900试样外，疲劳裂纹扩展速率随着热处理温度的升高而降低。当热处理温度为950℃时其疲劳裂纹扩展速率最低。从断口上可观察到，稳态扩展区存在大量解理台阶，故其断裂方式为解理断裂，存在大量解理台阶在主裂纹区域附近均发现二次裂纹。板条之间的大量二次裂纹，向材料内部延伸。

参考文献

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