激光選區(qū)熔化成形Ti-6Al-4V合金的組織演變及調(diào)控.pdf

1、激光選區(qū)熔化（SLM）工藝是一種以預(yù)置鋪粉、分層制造、疊加成形原理進(jìn)行“增材”式三維加工的高端數(shù)字化制造技術(shù)。它突破了現(xiàn)有制造技術(shù)對(duì)構(gòu)件形狀的限制，能夠?qū)崿F(xiàn)功能、結(jié)構(gòu)、制造的一體化，是解決航空航天Ti-6Al-4V合金復(fù)雜精密構(gòu)件制造極具潛力的方法之一。但是，SLM技術(shù)逐點(diǎn)逐線逐層的沉積方式產(chǎn)生了由多重非穩(wěn)態(tài)水平和垂直熱循環(huán)構(gòu)成的獨(dú)特復(fù)雜熱歷史，從而導(dǎo)致成形過(guò)程中Ti-6Al-4V合金的顯微組織演變和調(diào)控都處于未知狀態(tài)。
　　因此

2、，本文首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究了SLM水平、垂直熱循環(huán)以及復(fù)雜熱歷史下成形的Ti-6Al-4V合金的顯微組織特征，然后結(jié)合熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)計(jì)算提出了Ti-6Al-4V合金在SLM復(fù)雜熱歷史中的顯微組織演變機(jī)理，并借助元胞自動(dòng)機(jī)數(shù)值模型模擬了顯微組織的演變過(guò)程。最后，基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果、理論分析和數(shù)值模擬，通過(guò)優(yōu)化SLM工藝和設(shè)計(jì)熱處理制度調(diào)控顯微組織，改善拉伸性能和耐腐蝕性能。主要結(jié)論如下：
　　SLM成形Ti-6Al-4V單道熔池的形貌、尺

3、寸、熔化模式和顯微組織受工藝參數(shù)影響。隨著激光能量密度的減小，熔池形貌由“V”形轉(zhuǎn)變?yōu)椤癠”形，熔池尺寸不斷減小，熔化模式由小孔模式轉(zhuǎn)變?yōu)閭鲗?dǎo)模式。SLM成形單道熔池由熔化區(qū)（α′）、過(guò)渡區(qū)（α′+β）和熱影響區(qū)（α+β）組成。通過(guò)引入粉末層厚，本文修正了熔池模式轉(zhuǎn)變閾值，即當(dāng)激光能量密度Ev≥kTb√π3、0.865AmD時(shí)，熔化模式為小孔型，反之則為傳導(dǎo)型。
　　SLM成形Ti-6Al-4V合金的顯微組織演變與熱循環(huán)的方向（水

4、平或垂直）無(wú)關(guān)，而與其峰值溫度（TP）和頻次有關(guān)。峰值溫度大于液相線溫度（TL）的水平熱循環(huán)會(huì)產(chǎn)生較粗大馬氏體組成的搭接區(qū)，而TP>TL的垂直熱循環(huán)可以細(xì)化馬氏體尺寸，提高顯微硬度。增加TP>TL熱循環(huán)的次數(shù)，這種效應(yīng)不斷增強(qiáng)。而的熱循環(huán)對(duì)顯微組織影響較弱。垂直熱循環(huán)通常產(chǎn)生更高頻次TP>TL的熱循環(huán)，因而其比水平熱循環(huán)對(duì)顯微組織演變的影響更顯著。Tp>TL水平熱循環(huán)的頻次可根據(jù)熔池寬度和掃描間距計(jì)算。基于SLM工藝參數(shù)，Tp>TL垂直

5、熱循環(huán)的頻次可根據(jù)當(dāng)前層的熔化深度（dp）計(jì)算：此處為公式省略
　　當(dāng)施加高頻次的水平和垂直熱循環(huán)后，SLM成形的塊體Ti-6Al-4V合金的顯微組織由柱狀原始β晶粒內(nèi)尺寸分級(jí)的馬氏體α′陣列結(jié)構(gòu)組成，包括一次、二次、三次和四次馬氏體α′。一次和二次馬氏體α′的長(zhǎng)度、厚度和長(zhǎng)徑比主要分布在10~70μm，1.0~2.0μm和5~40范圍內(nèi)，長(zhǎng)度方向與生長(zhǎng)方向主要呈-30~-60°或30~60°關(guān)系。掃描間距與馬氏體長(zhǎng)度和長(zhǎng)徑比呈線

6、性正相關(guān)關(guān)系，而掃描速度與馬氏體尺寸呈二次函數(shù)關(guān)系。根據(jù)峰值溫度所達(dá)到的相變特征溫度，將SLM復(fù)雜熱歷史中的熱循環(huán)分為五類，分別為TP>TL，這五類熱循環(huán)中，Ti-6Al-4V合金將經(jīng)歷不同的相變行為，最終形成一次、二次、三次和四次馬氏體組織。而SLM多重?zé)嵫h(huán)的工藝特點(diǎn)、Ti-6Al-4V合金包括α和β兩種形成元素的成分特點(diǎn)、以及SLM試樣中高密度位錯(cuò)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，是形成這種獨(dú)特馬氏體結(jié)構(gòu)的本質(zhì)原因。
　　通過(guò)元胞自動(dòng)機(jī)法成功建立

7、了SLM成形Ti-6Al-4V顯微組織演變的數(shù)值模型，并模擬了Ti-6Al-4V合金單道單層、多道單層、單道多層和多道多層試樣的顯微組織演變過(guò)程，能與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較好吻合。根據(jù)模擬，Ti-6Al-4V合金在SLM成形過(guò)程中將經(jīng)歷“三區(qū)四段”，“三區(qū)”包括熔化區(qū)、重熔區(qū)、再加熱區(qū)；“四段”包括粉末熔化階段、兩相共存階段、多重相變階段和固態(tài)相變階段。SLM成形Ti-6Al-4V合金過(guò)程中原始β晶粒存在六種演變情況：（Ⅰ）消失；（Ⅱ）形貌明顯變化

8、；（Ⅲ）晶粒長(zhǎng)大后趨于穩(wěn)定；（Ⅳ）尺寸逐漸長(zhǎng)大；（Ⅴ）尺寸減小后趨于穩(wěn)定；（Ⅵ）沒(méi)有發(fā)生明顯演變。
　　優(yōu)化SLM工藝可以促進(jìn)少量韌性相α的形成，而熱處理可以獲得α+β雙態(tài)組織。因此，相比于優(yōu)化SLM工藝，熱處理更能顯著調(diào)控顯微組織中的相組成、形貌、含量、尺寸和亞結(jié)構(gòu)等。800~900℃熱處理后爐冷是較適合SLM成形Ti-6Al-4V合金的熱處理制度，可獲得的尺寸細(xì)小的雙態(tài)α+β混合組織，其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率分別可達(dá)到10