打印參數(shù)對電子束增材制造Ti-Ni合金性能的影響

來源：多尺度力學(xué)

Ti-Ni合金主要由高溫奧氏體(B2)和低溫馬氏體(B19')組成，通過兩相之間的固態(tài)相變能夠?qū)崿F(xiàn)形狀記憶效應(yīng)和超彈性，但同時Ti-Ni合金優(yōu)異的力學(xué)性能又使得該合金在機械加工過程中存在易出現(xiàn)毛刺、回彈大、切削困難和對加工刀具磨損嚴重等問題，因此只能生產(chǎn)棒、絲以及板材等簡單結(jié)構(gòu)和形狀的產(chǎn)品。隨著Ti-Ni合金應(yīng)用范圍的逐漸擴大，簡單形狀和結(jié)構(gòu)限制了該合金的進一步利用以及器件的整體發(fā)展，需要尋找一種可以生產(chǎn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)和形狀的Ti-Ni合金的加工方式。文章利用SEM、XRD、DSC、TEM和等軸壓縮等實驗手段，研究和分析了打印參數(shù)焦距補償(FO)和速度函數(shù)(SF)對電子束增材制造(EBM)制備的Ti-Ni合金顯微組織、相組成、相變行為以及壓縮性能的影響。

表1展示的是通過調(diào)整SF和FO，制備的7 組Ti-Ni 合金樣品，S1~S4前4組樣品具有相同的SF，F(xiàn)O逐步提高，S2，S5~S7后三組樣品具有相同的FO，SF逐步提高。

表1電子束增材制造(EBM)制備Ti-Ni合金具體參數(shù)

圖1 不同EBM打印參數(shù)制備的Ti-Ni合金樣品的實測密度和相對密度

圖1為不同EBM打印參數(shù)制備的Ti-Ni樣品的實測密度和相對密度�？梢钥闯�，所有樣品的實測密度均達到6.30g/cm3以上，即相對密度均達到97.75%以上，接近完全致密化實體。說明EBM打印參數(shù)可以在很寬的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)制備出相對密度較高的Ti-Ni塊體，F(xiàn)O和SF對樣品實測密度影響不大。從圖2還可以看出，當(dāng)SF固定為25mm/s時，隨著FO增大，樣品S1~S4的相對密度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢；當(dāng)FO固定為15mA時，隨著SF的增大，樣品S2、S5~S7的相對密度也呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。

圖2 Ti-Ni預(yù)合金粉末和不同EBM打印參數(shù)制備的Ti-Ni合金樣品的XRD譜

圖3 Ti-Ni預(yù)合金粉末和EBM制備Ti-Ni合金樣品的DSC曲線

圖2是Ti-Ni預(yù)合金粉末和EBM制備Ti-Ni合金樣品的XRD譜，圖3是Ti-Ni預(yù)合金粉末和EBM制備的Ti-Ni合金樣品的DSC曲線�？梢钥吹紼BM制備Ti-Ni合金的相變溫度大于所使用預(yù)合金粉末相變點的溫度，改變EBM的打印參數(shù)FO和SF，對樣品各相變點的影響較小，相變溫度相對穩(wěn)定。

圖4是EBM制備Ti-Ni合金的室溫壓縮工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。可以看出，EBM打印參數(shù)FO和SF均對合金的壓縮性能產(chǎn)生了重要影響，樣品S5抗壓縮強度最高(約2871MPa)、壓縮應(yīng)變最大(約38%)，比最小的樣品S1分別增大約1100MPa和6%。

圖4 EBM制備Ti-Ni合金樣品的室溫壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖5 EBM制備不同Ti-Ni合金樣品的顯微硬度及樣品S5沿打印方向平面和打印平面上表面的顯微硬度

圖6 EBM制備不同Ti-Ni合金樣品的顯微組織

圖5和圖6分別展示了EBM制備Ti-Ni合金的Vickers硬度及EBM制備Ti-Ni合金樣品S1、S5和S7壓縮斷口的表面形貌。由圖5可以看出EBM制備參數(shù)FO和SF的改變對制備Ti-Ni合金的顯微硬度的影響較小。由圖6a、d和g可知，樣品S5沿與加載方向成45°斷裂，即最大壓縮剪切力的方向(圖6d)；而S1樣品只有局部脫落，且斷裂方向與加載方向平行(圖6a)；S7樣品斷裂方向與加載方向之間的夾角介于S1和S5之間(圖6g)。樣品S1的斷裂面不平整且沿壓縮方向具有貫穿整個樣品的大裂紋存在(圖6b)，由局部放大圖(圖6c)可見，沿打印方向樣品內(nèi)部雖未發(fā)現(xiàn)未熔融或者半熔融的粉末，但是可以看到層間搭接不良，呈現(xiàn)出一定的松散狀態(tài)；樣品S5斷裂表面平滑(圖6e)且表面局部放大像(圖6f)并未觀察到裂紋和未熔融缺陷的存在；樣品S7斷裂表面局部平滑，但大部分區(qū)域與S1樣品類似，呈現(xiàn)不平整的形貌(圖6h)，從2種形貌交界處的局部放大像(圖6i)可以看出，樣品內(nèi)部沿打印方向存在不連貫的裂紋。

圖7 EBM制備Ti-Ni合金樣品S5的表面形貌、顯微組織和EDS分析

圖8 EBM制備Ti-Ni合金樣品S5顯微組織的TEM像和SAED譜

為研究EBM制備Ti-Ni合金的顯微組織，作者進一步對EBM制備Ti-Ni合金樣品S5進行表面形貌、顯微組織和EDS分析及TEM觀察，如圖7和圖8所示。圖9為EBM制備Ti-Ni合金樣品的缺陷分析結(jié)果，EBM制備參數(shù)FO和SF的改變可以在Ti-Ni合金中引入不同的打印缺陷，其中裂紋缺陷使壓縮力學(xué)性能大幅度降低。

圖9 EBM制備Ti-Ni合金樣品的缺陷分析

相關(guān)研究成果以“打印參數(shù)對電子束增材制造Ti-Ni合金性能的影響”為題發(fā)表在金屬學(xué)報(2020, 56(8))上。論文的第一作者為任德春，通訊作者為金偉。

論文鏈接：

http://dx.doi.org/ 10.11900/0412.1961.2019.00410