熱處理對激光選區熔化成形TC4鈦合金疲勞裂紋擴展速率的影響

左柏強 李玉海

摘要：為了探究熱處理對激光選區熔化（Selective Laser Melting，SLM）成形TC4鈦合金疲勞裂紋擴展速率的影響，采用SLM制備TC4鈦合金，對其進行熱處理，采用空冷的方法進行冷卻。熱處理溫度分別為800℃、850℃、900℃和950℃，熱處理時間為2h。對熱處理后的試樣進行疲勞裂紋擴展速率試驗，發現隨著熱處理溫度的升高TC4鈦合金的疲勞裂紋擴展降低，斷口顯示為解理斷裂，疲勞裂紋多切過α相向前擴展。

關鍵詞：激光選區熔化 熱處理 疲勞裂紋擴展速率

1.引言

激光選區熔化（Selective Laser Melting，SLM）成形技術。SLM成形技術的基本原理為利用UG軟件構建三維模型，將三維模型進行切片分層處理后，得到零件的各個分層輪廓信息;將金屬粉末預鋪在成形臺上后，利用高能量密度的激光直接熔化每一層的金屬粉末;反復鋪粉，激光逐層掃描熔化金屬粉末后，最終自上而下沉積出實體結構件[1，2]

TC4（Ti-6Al-4V）鈦合金為典型的α+β型雙相鈦合金，是目前使用最為廣泛，發展較為成熟的一種鈦合金。TC4鈦合金具有較高的強度和硬度變形抗力大等特點，因此傳統的減材加工，在加工TC4鈦合金時操作較為復雜，對刀具強度要求較高。增加加工時間，同時在加工過程長產生切削廢料浪費材料[3，4]。SLM制備的TC4鈦合金具有高強度[5-7]、低塑性的特點，且大部分學者對強塑性匹配的研究居多[8，9]，對SLM制備的TC4鈦合金斷裂力學研究較少。故本文采用熱處理來調節SLM制備的TC4鈦合金，旨在改變疲勞裂紋擴展性能。

2.實驗方法

本論文采用的原料為氣霧化法制備的TC4鈦合金粉末，其粉末的成分、形貌和粒度如表2.1和圖2.1所示，圖2.2為TC4球形粉末的粒度分布，由圖可知粉末的粒徑在4μm-70μm間呈現正態分布，粉末粒徑集中。

本論文采用德國Concept Laser公司生產的Concept M2 Cusing金屬激光選區熔化設備按照表2.2的成形參數制備TC4鈦合金試件，其試樣成形后示意圖為圖2.2所示。室溫疲勞裂紋擴展速率測試完全按照GB/T6398-2000進行，制成W=30mm，B=10mm拉伸緊湊試樣，即C（T）試樣。試樣編號如表2.3。

3.結果與討論

由圖4.1的S800、S850、S900、S950試樣疲勞裂紋擴展速率曲線可知，在應力強度因子?K在14 MPa?m0.5-52 MPa?m0.5之間時，試樣疲勞裂紋擴展速率分布在10-5-10-2mm/cycle之間。熱處理溫度高低對疲勞裂紋穩定擴展前期的影響較為明顯，對疲勞裂紋穩定擴展后期的影響較小，對于不穩定斷裂區的影響恢復。

表3.1是對四個試樣疲勞裂紋擴展速率Pairs區的擬合結果，其結果與本文上一段中所描述的情況基本吻合，C值雖然基本呈現遞減狀態，隨著熱處理溫度升高，試樣的裂紋擴展速率減慢，但擴展速率的差值很小，這是在Pairs區顯微組織對裂紋擴展不敏感所導致的。而900-Z試樣的C值比其他試樣都大，表示其裂紋擴展速率最快，但原因還有待研究。

圖3.2為Pairs區裂紋擴展的微觀形貌SEM照片。從斷口上可觀察到主裂紋區域附近均發現二次裂紋或微裂紋，穩態擴展區主要以解理斷裂為主，存在大量解理臺階，部分解理臺階小平面上垂直于裂紋名義擴展面相互平行的疲勞輝紋。板條之間的大量二次裂紋，向材料內部延伸。

結論

經熱處理后的激光選區熔化制備的TC4鈦合金，除S900試樣外，疲勞裂紋擴展速率隨著熱處理溫度的升高而降低。當熱處理溫度為950℃時其疲勞裂紋擴展速率最低。從斷口上可觀察到，穩態擴展區存在大量解理臺階，故其斷裂方式為解理斷裂，存在大量解理臺階在主裂紋區域附近均發現二次裂紋。板條之間的大量二次裂紋，向材料內部延伸。

參考文獻

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