电子束选区熔化成形Ti-6Al-4V合金不同沉积高度上的组织与性能

2022-08-03高紫豪杨尚磊王贞涛

机械工程材料 2022年6期

高紫豪，杨尚磊,2，彭曾，王贞涛

(1.上海工程技术大学材料工程学院，上海 201620；2.上海市激光先进制造技术协同创新中心，上海 201620)

0 引言

Ti-6Al-4V合金具有较高的比强度，良好的耐腐蚀性、韧性和可加工性等特点，是目前研究和应用最为广泛的钛合金之一，已广泛应用于航空航天、生物医学和汽车工业等领域。电子束选区熔化(electron beam selective melting,EBSM)技术是一种利用高能电子束作为热源[1]，通过磁偏转线圈产生变化的磁场驱使电子束对预铺金属粉末进行快速选区扫描熔化并层层堆积直接成形零部件的增材制造技术[2],具有成形件杂质含量低、可精密成形复杂零部件、近净成形等特点，在成形制备钛合金方面应用前景良好。

显微组织(晶粒大小、相分布、晶界等)决定着材料的力学性能[3-4]。EBSM技术具有逐层堆积的特点，沿沉积方向不同高度的热循环作用有所差异，因此EBSM成形试样的显微组织和力学性能表现出各向异性。CARROLL等[5]研究发现，EBSM成形Ti-6Al-4V合金的塑性沿沉积方向和扫描方向各不相同，但拉伸强度基本相同。TAN等[6]研究发现，EBSM成形Ti-6Al-4V合金的拉伸性能和加工硬化指数随沉积高度的改变而改变。SUO等[7]研究发现，EBSM成形Ti-6Al-4V合金的沉积态和退火态试样的拉伸性能均显示出明显的各向异性，扫描方向的拉伸强度明显高于沉积方向。LIU等[8]研究发现，EBSM成形Ti-6Al-4V合金显微组织的梯度变化导致合金在不同位置呈现不同的拉伸性能。ZAEH等[9]研究发现，EBSM 成形Ti-6Al-4V合金经过拉伸试验后的试样由于应变硬化效应使得硬度略有提高。目前，关于EBSM成形Ti-6A1-4V合金的研究主要集中在不同沉积方向上组织与性能的差异方面，而关于不同沉积高度下的显微组织和力学性能以及试样拉伸后的应变硬化程度方面的研究较少。因此，作者采用EBSM技术制备了沉积高度为10 mm的Ti-6Al-4V合金板，研究了沿沉积方向不同高度下xOz面和xOy面上的显微组织、拉伸性能及显微硬度，并分析了拉伸后的断口形貌和拉伸引起的应变硬化现象。

1 试样制备与试验方法

试验原料为Arcam公司生产的Ti-6Al-4V合金ELI气雾化粉末，微观形貌见图1，其平均粒径为50 μm，粉末的均匀性及球形度都较好。化学成分见表1，符合GB/T 3620.1-1994要求。

图1 Ti-6Al-4V合金粉末的SEM形貌Fig.1 SEM morphology of Ti-6Al-4V alloy powder

采用Arcam A2XX型电子束选区熔化设备成形Ti-6Al-4V合金板试样，试样尺寸为80 mm×30 mm×10 mm。成形前将机箱抽至真空状态，通入适量氮气，并预热操作平台[10]。通过Arcam EBM软件设定扫描路径并在基板上添加高5 mm的网格支撑，如图2所示，以减弱基板材料对成形试样的影响，同时方便取下成形试样。成形时沿指定的扫描路径熔化金属粉末。EBSM预热参数及成形过程中的关键参数见表2。

表1 Ti-6Al-4V合金粉末的化学成分

图2 EBSM扫描路径及网格支撑示意Fig.2 Schematic of scanning path (a) and grid support (b) of EBSM

表2 EBSM预热及成形时的工艺参数

将成形试样的底部xOy面、顶部xOy面及xOz面打磨、抛光，采用由8 mL HF、15 mL HNO3、77 mL H2O组成的试剂腐蚀后，采用VHX-600型光学显微镜(OM)和VEGA3 TESACN型扫描电子显微镜(SEM)观察各面的显微组织及微观形貌。采用X-Perp PRO型X射线衍射仪(XRD)对试样底部、中部和顶部进行物相分析，采用铜靶，Kα射线，管电压为40 kV，管电流为40 mA，扫描范围2θ为30°～90°，扫描速率为5 (°)·min-1。按照GB/T 3075-2008，采用线切割机在成形件的底部、中部、顶部分别截取拉伸试样，尺寸如图3所示，拉伸试样厚度为2 mm,参照GB/T 228-2002，采用Zwick HB型250 kN电液伺服疲劳试验机进行拉伸试验，加载速率为0.1 kN·s-1，拉伸方向沿x方向。拉伸试验结束后采用扫描电镜观察拉伸断口形貌。参照GB/T 4340.1-2009，采用FM-700e型数显维氏硬度计测试拉伸前后试样的显微硬度，加载时间为10 s，载荷为1.96 N。

图3 拉伸试样的尺寸示意Fig.3 Schematic of size of tensile specimen

2 试验结果与讨论

2.1 显微组织

由图4可知：EBSM成形Ti-6Al-4V合金板试样顶部及底部xOy面的显微组织均为α集束和α片层交织的网篮组织；顶部在急热和急冷的情况下，α片层来不及长大便已冷却，而底部受多次循环热作用，因此底部α片层较顶部粗大；xOz面上的显微组织为沿初生β晶界多种取向生长的α集束和α片层交织的网篮组织，由于晶界处的形核功较低，α相沿初生β晶界优先形核生长；初生β晶宽度随着沉积高度的增加呈现出增大趋势。另外，由于试样沉积高度仅为10 mm，试样在不同沉积高度上的α片层大小差异较小。

图4 EBSM成形Ti-6Al-4V合金试样在不同面上的OM和SEM形貌Fig.4 OM morphology (a-c) and SEM morphology (d-f) on different surfaces of Ti-6Al-4V alloy specimen formed by EBSM:(a, d) top xOy surface; (b, e) xOz surface and (c, f) bottom xOy surface

由图5可以看出：EBSM成形Ti-6Al-4V合金试样的物相类型不随沉积高度的变化而发生转变；从底部到顶部，β相的衍射峰逐渐减小，表明随着沉积高度的增加，β相含量逐渐降低。在成形过程中，多次热循环会使合金结构从非平衡状态逐渐过渡到平衡状态，试样底部经受的热循环次数较多，结构趋于平衡，因此试样底部β相含量较多；而试样顶部未受后续热循环，由熔池直接冷却凝固形成，冷却速率较快，形成非平衡组织，因此试样顶部β相含量较少。

图5 EBSM成形Ti-6Al-4V合金试样在不同位置上的XRD谱Fig.5 XRD patterns at different positions of Ti-6Al-4V alloyspecimen formed by EBSM

2.2 力学性能与拉伸断口形貌

由表3可以看出，试样底部、中部和顶部的拉伸试样屈服强度和抗拉强度依次升高，但相差不大。根据Hall-Petch关系，晶粒尺寸是影响合金屈服强度的重要因素。试样顶部的α片层较底部的细小，屈服强度较底部的略高；由于试样在不同沉积高度上的显微组织差异较小，试样在不同高度位置的拉伸性能差异也较小。

表3 EBSM成形Ti-6Al-4V合金试样沿沉积方向不同高度>上的抗拉强度和屈服强度

由图6可以看出：EBSM成形Ti-6Al-4V合金试样的拉伸断口均主要由韧窝组成，这表明该合金的断裂类型为韧性断裂；韧窝底部存在孔洞和未熔化的球形粉末。在拉伸过程中，孔洞和未熔化的球形粉末处产生应力集中而萌生裂纹。当裂纹向试样内部扩展时，孔洞和未熔化的粉末会成为裂纹连接的节点，最终导致合金发生断裂。

图6 EBSM成形Ti-6Al-4V合金试样沿沉积方向不同高度上的拉伸断口形貌Fig.6 Tensile fracture morphology at different heights along the deposition direction of Ti-6Al-4V alloy specimen formed by EBSM:(a) at the bottom; (b) at the middle and (c) at the top

EBSM成形Ti-6Al-4V合金板试样顶部xOy面的平均硬度(约315 HV)略高于底部xOy面 (约295 HV)，这是由于顶部xOy面上α片层厚度较小，细化的α相使得合金的硬度略有提高；由于试样高度较小，不同沉积高度上的冷却速率相差不大，α片层厚度差异也不大，使得底部和顶部的硬度差异较小。在经过拉伸试验后，顶部xOy面上的平均硬度升高到约326 HV，Ti-6Al-4V合金试样经过拉伸后产生了应变硬化使得试样硬度有所提高，但应变硬化程度并不显著，拉伸前后的硬度差异较小。