熱等靜壓對(duì)增材制造顆粒增強(qiáng)鈦合金組織性能影響

來(lái)源： 材料科學(xué)與工程
增材制造（AM）技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域的零件制造。激光粉末床熔融(L-PBF)技術(shù)是一種增材制造技術(shù)，它在金屬基材上沉積和熔化粉末層。L-PBF技術(shù)可使用多種原料粉末生產(chǎn)零件，α+β兩相鈦合金Ti6Al4V（以下簡(jiǎn)稱(chēng)Ti64）是最理想的AM合金之一，因?yàn)樗�在多種負(fù)載條件下具有不同特性。由L-PBF生產(chǎn)的Ti64部件抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別在1040-1211MPa和1.4-6.5%范圍內(nèi)。但是，ASTM F136標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定伸長(zhǎng)率應(yīng)至少為10%，抗拉強(qiáng)度應(yīng)高于860MPa。因此，必須進(jìn)行后處理以增加伸長(zhǎng)率。為了提高Ti64的機(jī)械性能，已有報(bào)道通過(guò)L-PBF技術(shù)制備含顆粒增強(qiáng)相的Ti64復(fù)合材料。結(jié)果表明，Ti64的強(qiáng)度顯著增加，但塑性下降。在增強(qiáng)塑性變形和其他物理特性的不同熱處理中，熱等靜壓（HIP）是優(yōu)化微觀(guān)結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能最有效的方法之一。雖然已報(bào)道了許多關(guān)于HIP處理對(duì)L-PBF制造的Ti64微觀(guān)結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響，但HIP對(duì)L-PBF制造的顆粒增強(qiáng)Ti64復(fù)合材料微觀(guān)結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的研究很少。

法國(guó)索邦大學(xué)的一項(xiàng)最新研究揭示了HIP對(duì)氧化釔穩(wěn)定氧化鋯（YSZ）增強(qiáng)Ti64的微觀(guān)結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能的影響，分析了增強(qiáng)體含量對(duì)微觀(guān)結(jié)構(gòu)和織構(gòu)演變的影響。相關(guān)論文以題為“Effect of hot isostatic pressing on microstructure and mechanical properties of Ti6Al4V-zirconia nanocomposites processed by laser-powder bed fusion”發(fā)表在Materials & Design。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.110392

本研究通過(guò)電極感應(yīng)熔化氣體霧化(EIGA)生產(chǎn)Ti64粉末，平均粒徑約25μm，另制備了含1wt%和2.5wt%納米nYSZ的Ti64粉末（簡(jiǎn)稱(chēng)為ZTP1和ZTP2.5），L-PBF工藝為：層厚30μm；功率200瓦；曝光時(shí)間100μs；掃描速度700mm/s；艙口間距80μm；點(diǎn)距65μm。

研究發(fā)現(xiàn)，含增強(qiáng)相和未增強(qiáng)試樣在HIP處理后接近全密度材料。微觀(guān)結(jié)構(gòu)研究表明，HIP后處理具有三重效果：(1)降低β相百分比；(2)增加晶粒尺寸；(3)與HIP處理之前相比，產(chǎn)生更均勻分布的α和β晶粒（尤其是在未增強(qiáng)的Ti64材料中），塑性應(yīng)變大大增加，而所有材料在HIP后壓縮強(qiáng)度僅略有變化。HIP處理后，增強(qiáng)后試樣的顯微硬度和強(qiáng)度仍然高于Ti64（ASTM F136）。相比于用其他陶瓷（如TiB2和B4C）增強(qiáng)的鈦合金，nYSZ增強(qiáng)和HIP處理后Ti64的機(jī)械性能更高，這證實(shí)了nYSZ增強(qiáng)的Ti64是航空航天和醫(yī)療領(lǐng)域有應(yīng)用前景的材料。

圖1 初始粉末的顆粒形狀


圖2 HIP處理前后試樣的SEM圖


圖3 在HIP處理前后，α相晶粒尺寸(沿BD方向)隨nYSZ加入發(fā)生的變化


圖4 添加nYSZ和HIP處理對(duì)室溫壓縮真應(yīng)力-真塑性應(yīng)變的影響

HIP過(guò)程中出現(xiàn)織構(gòu)演變，主要是因?yàn)榘l(fā)生再結(jié)晶和相變，織構(gòu)強(qiáng)度增加可能是HIP處理后壓縮強(qiáng)度增加的主要原因。未來(lái)應(yīng)探索HIP過(guò)程中再結(jié)晶和相變機(jī)制的表征。預(yù)計(jì)這種Ti64/nYSZ材料的疲勞強(qiáng)度將遠(yuǎn)高于L-PBF加工的Ti64，鈦基復(fù)合材料的主要特點(diǎn)之一就是改善鈦合金的疲勞性能，本文為增材制造鈦基復(fù)合材料的研究提供了理論基礎(chǔ)。（文：破風(fēng)）