CN106119749A - 一种3D打印Ti‑6Al‑4V结构件热处理工艺 - Google Patents

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    • B33Y40/00—Auxiliary operations or equipment, e.g. for material handling
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Abstract

一种3D打印Ti‑6Al‑4V结构件热处理工艺。本发明属于金属材料领域，提供在一种广泛用于航空航天、医疗器械、轮船等高端制造业3D打印具有屈服强度超过850MPa，抗拉强度超过1000Mp，均匀延伸率超过20%，平均维氏硬度超过350的Ti‑6Al‑4V结构件的热处理工艺，其热处理流程为先在950℃与1000℃温度区间进行退火，退火时间为30分钟至2个小时，然后空冷，然后在550℃与700℃温度区间退火回火，回火时间为1小时至4小时。

Description

一种3D打印Ti-6Al-4V结构件热处理工艺
技术领域
本发明属于金属材料领域，提供了适合3D打印金属粉末激光熔覆制造Ti-6Al-4V结构件的热处理工艺。
背景技术
在组织结构为α+β相的钛合金Ti-6Al-4V是一种广泛应用于航空、航天、造船等领域的金属结构材料。该结构材料利用传统的锻造工艺涉及一系列的热加工过程，耗时且由于较大的原材料损耗造成较高的生产成本。增材制造技术，即3D打印金属粉末激光熔覆制造技术可以实现Ti-6Al-4V结构件通过预先设定的形状实现逐层材料融化堆积，实现近终型制造。相比较传统制造工艺，其具有成本优势以及快速制造复杂形状结构件的能力，得到航空航天等工业部门的青睐。
钛合金Ti-6Al-4V的力学性能与合金的微观组织有密切关系，然而组织结构中各微观组织相的面积比、尺寸、分布以及形貌与结构件成型后的热处理工艺有密切关系，退火以及回火温度以及热处理时间均影响合金微观组织结构，进而影响合金最终的力学性能。目前有大量研究报道传统锻造工艺过程中钛合金Ti-6Al-4V热处理工艺对微观组织以及力学性能的影响，较少报道3D打印激光熔覆制造后热处理工艺对结构微观组织结构以及力学性能的影响。
发明内容
本发明提供一种Ti-6Al-4V合金粉末在数字化激光熔覆制造后处理环节中的热处理工艺，进而得到最佳的微观组织结构以及力学性能。3D打印使用5kw -10 kw 的CO2激光熔覆制造系统，激光束的直径为3mm-5mm，激光束的移动速度为500mm/min-800mm/min，粉末的运动速率为500g/小时-800g/小时。完成3D打印环节制成结构件后，热处理工艺流程为先在950℃与1000℃温度区间进行退火，退火时间为30分钟至2个小时，然后空冷，然后在550℃与700℃温度区间回火，回火时间为1小时至4小时。
首先是退火温度对微观结构的影响。950℃与1000℃退火温度区间选择3个退火温度分别为955℃、970℃和995℃，随着退火温度升高，片状α结构向晶片状β结构转变的数量增加，片状α结构的面积与退火温度密切相关，当退火温度从955℃升温到995℃时，片状α结构的面积急剧减少。
其次是退火时间对微观组织结构的影响。随着退火时间从30分钟增加到60分钟，片状α结构的面积分数从34%减少到25%，此外，退火时间对片状α结构的形貌也有一定影响，片状α结构的宽度与退火时间没有明显的相关关系，相对短的退火时间不会对片状α结构发生晶粒粗化现象，α结构的长度却从9μm下降到6μm左右。
然后回火温度对微观组织结构的影响。一般选择550℃至700℃温度区间进行回火热处理，当回火温度从550℃增加到700℃，片状α结构的高宽比从大约5减少到3.5，当该合金在550℃回火时，片状α结构占总的微观组织结构的面积分数没有明显的改变，当回火温度从550℃增加到700℃时，片状α结构的面积分数从34%减少到29%。同时，二次演化生成的α结构从0.7μm左右增加到1.4μm左右。
退火后的合金平均维氏硬度比刚3D打印出来的结构件少约5%左右，在3D打印激光快速熔覆过程中，由于相转变以及α结构的各向异性促使残余应力的产生，释放的残余应力以及该过程片状α结构的粗化和球化使得退火后的Ti-6Al-4V合金结构件的硬度减少。退火时间对Ti-6Al-4V合金的硬度影响较少，平均维氏硬度随着退火时间的增加而轻微增加，由于退火过程中二次片状α结构的增加，其固溶强化作用得到增强。
Ti-6Al-4V合金的平均维氏硬度随着回火温度的增加首先轻微增加，继而呈下降态势，出现硬度最大峰值的温度在600℃左右。回火后合金的平均维氏硬度明显比刚刚3D激光打印和退火过程之后的合金硬度较高。在较高的回火温度，一次片状α结构的面积分数从34%减少到30%，同时晶片状β结构转变的数量增加，从残余β结构向二次片状α结构数量增加，回火造成硬度的增加。当回火温度在700℃时，二次片状α结构厚度的增加造成硬度的减少。
具体实施内容
3D打印金属粉末融覆制造Ti-6Al-4V结构件过程使用5kw CO2激光熔覆制造系统，激光束的直径为5mm，激光束的移动速度为800mm/min，粉末的运动速率为500g/小时。热处理流程为先在970℃进行退火，退火时间为30分钟，然后空冷，然后在600℃进行回火，回火时间为1小时，然后空冷至常温。
本方案的运行效果是3D打印出来一种具有屈服强度超过850MPa，抗拉强度超过1000Mp，均匀延伸率超过20%，平均维氏硬度超过350。与传统锻造工艺生产Ti-6Al-4V结构件相比，3D打印金属粉末融覆制造具备用料省，工序简单，成型精度更加准确，且热处理过程结构件的力学性能与传统锻造工艺相当。

Claims (6)

1.一种3D打印Ti-6Al-4V结构件具有屈服强度超过650MPa，抗拉强度超过1000Mp，均匀延伸率超过20%，平均维氏硬度超过350的热处理工艺，其流程为先在955℃与995℃温度区间进行退火，退火时间为30分钟至2个小时，然后空冷，其次在550℃与700℃温度区间退火回火，回火时间为1小时至4小时。
2.权利要求1中，退火温度为在950℃-1000℃。
3.权利要求1中，退火时间为30分钟-2小时分钟。
4.权利要求1中，回火温度为550℃-700℃。
5.权利要求1中，回火时间为1小时-4小时。
6.如权利要求1所述的生产方法，其热处理后结构件样品的力学性能为超过650MPa，抗拉强度超过1000Mp，均匀延伸率超过20%，平均维氏硬度超过350。
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