电子束选区熔化技术成形Ti--6Al--4V合金微观组织演变的研究

摘要

增材制造技术具有设计与制造自由度大、周期短、可实现成分和/或结构的梯度制造、买飞比低（接近1∶1）、个性化与批量定制等特点，体现了信息网络技术与先进材料技术、数字制造技术的密切结合，是先进制造业的重要组成部分。电子束选区熔化(selective electron beam melting，SEBM)增材制造技术具有能量利用率高、功率大、加工速度快、运行成本低、高真空保护等优点，是高性能钛合金及其它高熔点活性金属复杂零件的理想增材制造技术，在航空航天、卫生医疗、交通运输等领域具有广阔的应用前景。然而，SEBM技术成形的钛合金沉积态中不均匀的微观组织和成形缺陷均对力学性能有重要的影响，使之与传统锻造工艺有较大的差距，且目前已报道的研究多集中在小尺寸样品上，不能完全指导实际应用零件的成形。本文针对相关问题开展了研究，以直径15mm、高80mm的Ti-6Al-4V合金样品为研究对象，通过OM、SEM、XRD、EBSD、TEM、FIB等手段表征微观组织并获得SEBM技术成形Ti-6Al-4V合金过程中的固态相变和微观组织演变信息，为SEBM技术实现控形和控性提供理论依据，论文并以SEBM成形的不同直径(Φ1.5mm、Φ2.5mm、Φ6.0mm)和不同方向(0°-90°)的Ti-6Al-4V合金样品为研究对象，详细研究了成形缺陷和微观组织及其对力学性能的影响，最后以直径12mm、高300mm的大尺寸Ti-6Al-4V棒状样品和高220mm、厚5mm的板材样品为研究对象，研究HIP处理对大尺寸零件的微观组织和力学性能的影响。论文工作取得了如下结论: (1)SEBM技术成形Ti-6Al-4V合金过程中固态相变涉及无扩散的马氏体相变(β→α')、短程扩散的块状相变(β→αm)和长程扩散型相变(β→α+β)。沉积态微观组织是在循环热处理作用下转变而成的由网篮组织、魏氏组织、块状超细α+β组织组成的不均匀的混合组织。 (2)首次发现了SEBM技术成形Ti-6A-4V合金过程中的块状相变。块状相晶粒易在原始β晶界处形核并可跨原始β晶界生长，块状相变的温度区间为800℃-893℃，生长最大速率为152μm/s，块状晶粒形貌复杂且具有较大的取向差。块状相受高温粉床和循环热处理的影响发生原位分解转变为超细的α+β组织。 (3)SEBM技术成形的Ti-6Al-4V合金样品的表面粗糙度主要是由三维CAD模型分层造成的台阶效应、熔池流动形成的凸脊和表面未完全熔化的粉末引起的。样品尺寸对表面粗糙度没有明显影响，但随成形角度的增加先增加而后减小。样品的尺寸和成形方向对组织均有显著的影响，随样品直径的减小和成形角度的增加，组织细化、马氏体含量增多。力学性能受成形缺陷和微观组织的综合影响，表现出一定的分散性。 (4)对SEBM技术成形的直径12mm、高300mm的大尺寸Ti-6Al-4V棒状样品的研究表明由于受粉床温度梯度的影响，微观组织沿高度方向发生显著变化，由下到上的α板条逐渐变粗，β相含量逐渐增多，塑性逐渐变好。HIP处理使组织粗化，但可实现平衡化和均匀化，使β相含量接近平衡态，塑性进一步提高，并实现了力学性能的统一。沉积态和HIP处理后的力学性能均满足ASTM F3001-14标准的要求。 (5)对SEBM技术成形的高220mm、厚5mm的Ti-6Al-4V板材样品的研究表明HIP处理使取向性增强，组织转变为粗大的束集组织。沉积态中软位向（高Schimid系数）的α板条周围为硬位向（低Schimid系数）的α组织，变形约束较大，裂纹扩展较曲折。HIP处理后α束集多处于棱柱面滑移系统的软位向，变形约束较小，对切应力敏感，呈典型的切断型断裂。沉积态和HIP处理后的力学性能也均满足ASTM F3001-14标准的要求。

目录

声明

摘要

1．1研究背景

1．2钛与α+β钛合金简介

1．2．1钛与钛合金

1．2．2钛与α+β钛合金中的固态相变

1．2．3 α+β钛合金的典型微观组织及与力学性能的关系

1．3 SEBM增材制造技术的研究进展

1．3．1金属增材制造技术的分类

1．3．2 SEBM技术的成形原理和应用

1．3．3 SEBM技术成形Ti－6Al－4V合金的研究现状

1．4本论文的主要研究目的和研究内容

2．1实验原料

2．2主要使用的设备及参数

2．2．1 Arcam A2电子束选区熔化成形设备

2．2．2热等静压设备

2．3样品的制备与检测

2．3．1表观密度检测

2．3．2电脑断层扫描

2．3．3表面粗糙度与形貌分析

2．3．4金相试样制备和观察

2．3．5X射线衍射

2．3．6扫描电镜与电子背散射衍射

2．3．7聚焦离子束技术制备透射电镜样品

2．3．8离子减薄法制备透射电镜样品

2．3．8透射电镜

2．3．9力学性能检测

第3章SEBM技术成形Ti－6Al－4V合金的固态相变和微观组织演变

3．1引言

3．2实验过程

3．2．2微观组织的表征

3．3实验结果

3．3．1样品顶部和底部的微观组织

3．3．2微观组织的EBSD表征

3．3．3微观组织的TEM表征

3．4讨论

3．4．1马氏体相和界面相的形成

3．4．2块状相的形成及其形貌特征

3．4．3 SEBM技术成形Ti－6Al－4V合金的微观组织演变

3．5本章小结

第4章SEBM技术成形Ti－6Al－4V合金的方向效应与尺寸效应的研究

4．1引言

4．2实验过程

4．3结果与讨论

4．3．1成形方向和样品直径对表面粗糙度的影响

4．3．2成形方向和样品直径对内部缺陷的影响

4．3．3成形方向和样品直径对微观组织的影响

4．3．4成形方向和样品直径对力学性能的影响

4．4本章小结

第5章SEBM技术成形300mm高Ti－6Al－4V合金棒状样品的研究

5．1引言

5．2实验过程

5．3结果与讨论

5．3．1沉积态中的缺陷分布

5．3．2成形高度和HIP处理对微观组织的影响

5．3．2成形高度和HIP处理对力学性能的影响

5．4本章小结

第6章SEBM技术成形220mm高Ti－6Al－4V合金板材的研究

6．1引言

6．2实验过程

6．3结果与讨论

6．3．1板材沉积态和HIP处理后的微观组织

6．3．2 HIP处理后组织取向的变化

6．3．3板材沉积态和HIP处理后的力学性能

6．3．3板材沉积态和HIP处理后的断口分析

6．4本章小结

7．1结论

7．2展望

参考文献

攻读博士期间发表论文情况

致谢