CN109746567A - 提高选择性激光熔化Ti6Al4V块材延展性的搅拌摩擦处理方法 - Google Patents

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黄春杰
赵吕
闫星辰
张磊
刘剑
王卫兵
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Abstract

本发明涉及择性激光熔化Ti6Al4V块材的后处理工艺，具体涉及一种提高选择性激光熔化Ti6Al4V块材延展性的搅拌摩擦处理方法，选取平均粒径33.8μm雾化处理的钛粉作为SLM原材料；采用EOS M290设备增材制造Ti6Al4V基板，尺寸是60×40×3mm3；试验选取优化的SLM参数；对打印后的SLM Ti6Al4V基板表面进行氧化物、杂物和油污的清理；进行搅拌摩擦加工改性后处理，采用搅拌摩擦焊接设备对所述的Ti6Al4V基板进行局部搅拌摩擦加工改性处理。本发明可显著降低原始SLM块材的孔隙率，改变材料内部的显微组织结构，大幅度提高SLM Ti6Al4V合金的延展性，且不产生材料本身强度的大幅降低。

Description

提高选择性激光熔化Ti6Al4V块材延展性的搅拌摩擦处理 方法
技术领域
本发明涉及选择性激光熔化Ti6Al4V块材的后处理工艺，具体涉及一种提高选择性激光熔化Ti6Al4V块材延展性的搅拌摩擦处理方法。
背景技术
Ti6Al4V钛合金具有优良的耐蚀性、低的密度、高的比强度及好的韧性和焊接性等一系列优点，在航空航天、石油化工、船舶汽车，生物医学等领域得到广泛的应用。选择性激光熔化是一种先进的金属增材制造技术，可用于几何结构复杂的钛合金等零部件的制造，在航空航天、生物医学和汽车工业等领域表现出巨大的优势。然而，与锻造或铸造的钛合金相比，选择性激光熔化(SLM)块材低的延展性，严重阻碍了其在工业领域内更广泛的应用。这是由于材料内部孔隙和针状α′易形成应力集中，导致裂纹萌生，在应变局部化前进行裂纹扩展直至断裂，严重降低了材料的延展性。
鉴于材料内部缺陷和微观组织结构对其延展性的显著影响。为了解决SLM钛合金块材初始孔隙率、相结构等不利因素，选择合适的后处理工艺对提高SLM钛合金材料的延伸性具有重要意义。后热处理已被证明可用于提高SLM钛合金的延展性，但合适的热处理工艺需仔细选择。基于高温、高压的综合作用，热等静压已被广泛用于消除SLM钛合金部件内部的孔隙率。然而，热处理和热等静压也具有局限性，例如晶粒长大、屈服强度和抗拉强度大幅下降、以及延展性表现各向异性。
因此，急需开发新的后处理工艺，降低材料的孔隙率，生成均匀微观组织结构，提高SLM钛合金块材延展性的同时还可限制强度的大量损失。
发明内容
针对目前SLM块材存在孔隙率和大量针状α′组织等问题，本发明的目的在于选择一种搅拌摩擦加工的后处理方法改性选择性激光熔化Ti6Al4V合金块材，用以降低材料的孔隙率，均匀化局部的组织结构，从而获得高延展性和强度兼具的性能。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
提高选择性激光熔化Ti6Al4V块材延展性的搅拌摩擦处理方法，包括以下步骤：
(1)选取平均粒径33.8μm雾化处理的钛粉(EOS，德国)作为SLM原材料；
(2)采用EOS M290设备增材制造Ti6Al4V基板，尺寸是60×40×3mm3；
(3)对打印后的SLM Ti6Al4V基板表面进行油污和氧化物、杂物等的清理；
(4)进行搅拌摩擦加工改性后处理，采用搅拌摩擦焊接设备(FSW-3LM-020)对上述Ti6Al4V基板进行局部搅拌摩擦加工改性处理。
步骤(1)中提供的球形钛粉的含氧量小于1300ppm，远低于航空工业对该材料(2000ppm)的限制。
步骤(2)中SLM试验参数：光斑直径、铺粉厚度、扫描间距分别是100μm,50μm和50μm,激光功率为230-280W，激光扫描速度为800-1400mm/s；基于不同参数下式样的金相显微照片，使用Image J软件对其的孔隙率进行表征并选取最优的工艺参数；试验选取优化后的SLM参数，激光功率为280W，扫描速度为1200mm/s。
步骤(3)中利用机加工铣削Ti6Al4V基板表面去除表面氧化物、杂物，然后选丙酮和酒精清洗基板表面的油污。
步骤(4)中步搅拌摩擦处理即FSP试验参数：焊接前进速度为55-75mm/min，旋转速度为350-400rpm，通过焊缝截面的金相组织图片选取较优的FSP工艺参数，具体优化后的参数是：前进速度75mm/min，旋转速度400rpm，主轴倾角2.5°，在氩气保护下进行；FSP后处理选取钨-铼合金搅拌头(WHTOOL)，轴肩直径15mm、针长2.5mm。
搅拌摩擦处理FSP是由搅拌摩擦焊接发展而来，采用非消耗式的搅拌工具，进行旋转-搅拌-前进复合机械运动，金属经历严重搅拌摩擦热-力作用，实现SLM钛合金块材的组织和性能改性。此外，FSP工艺具有无污染、重复性强、能耗低以及操作性强等特点，作为后处理在改性SLM块材上具有显著的应用价值。
本发明的技术方案带来的有益效果：
改变SLM材料、FSP工艺参数至本发明范围，经过该后处理过程，可显著降低原始SLM块材的孔隙率，改变材料内部的显微组织结构，大幅度提高SLM Ti6Al4V合金的延展性，且不产生材料本身强度的大幅降低。
附图说明
图1a是本发明使用的SLMed Ti6Al4V式样孔隙率的HR-microCT图像；
图1b是本发明使用的FSPed Ti6Al4V式样孔隙率的HR-microCT图像；
图2a是本发明使用的SLMed Ti6Al4V式样SEM组织图片；
图2b是本发明使用的FSPedTi6Al4V式样SEM组织图片；
图3a是本发明使用的SLMed Ti6Al4V式样SEM原位拉伸断裂图片；
图3b是本发明使用的FSPed Ti6Al4V式样SEM原位拉伸断裂图片；
图4是本发明使用的SLMed和FSPed Ti6Al4V式样拉伸曲线。
具体实施方式
下面结合上述优化的工艺参数对本发明作进一步说明，但并不因此而限制本发明。
选取平均粒径33.8μm的钛粉，采用激光功率280W，扫描速度1200mm/s的工艺参数增材制造了尺寸为60×40×3mm3Ti6Al4V基板。对基板表面进行铣削加工，去除表面氧化物等杂质；然后将待改性基板置于丙酮溶液中，采用超声波清洗基板表面油污。采用搅拌摩擦加工，焊接前进速度75mm/min，旋转速度400rpm，在氩气保护气氛下，对SLM Ti6Al4V基板进行后处理。
利用本发明进行SLM材料后处理的Ti6Al4V合金块材的孔隙率显著降低，组织如图1a和图1b所示。显微组织由针状α′组织转变成细小的β转变组织，如图2a和图2b所示。改性后Ti6Al4V合金的断裂应变由0.21提高至0.65，断裂后SLMed和FSPed的SEM图片如图3a和图3b所示。如图4所示，本发明中原始SLM钛合金的抗拉强度为1261MPa，FSP改性后Ti6Al4V基板的抗拉强度为1085MPa，普遍高于文献中热处理或热等静压等后处理工艺改性后材料的强度。

Claims (5)

1.提高选择性激光熔化Ti6Al4V块材延展性的搅拌摩擦处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)选取平均粒径33.8μm雾化处理的钛粉作为SLM原材料；
(2)采用EOS M290设备增材制造Ti6Al4V基板，尺寸是60×40×3mm3；试验选取优化后的SLM参数；
(3)对打印后的SLM Ti6Al4V基板表面进行氧化物、杂物和油污的清理；
(4)进行搅拌摩擦加工改性后处理，采用搅拌摩擦焊接设备对所述的Ti6Al4V基板进行局部搅拌摩擦加工改性处理。
2.根据权利要求1所述的提高选择性激光熔化Ti6Al4V块材延展性的搅拌摩擦处理方法，其特征在于，步骤(1)中所述的球形钛粉的含氧量小于1300ppm。
3.根据权利要求1所述的提高选择性激光熔化Ti6Al4V块材延展性的搅拌摩擦处理方法，其特征在于，步骤(2)中SLM试验参数：光斑直径、铺粉厚度、扫描间距分别是100μm、50μm和50μm,激光功率为230-280W，激光扫描速度为800-1400mm/s；基于不同参数下式样的金相显微照片，使用Image J软件对其的孔隙率进行表征并选取最优的工艺参数。
4.根据权利要求1所述的提高选择性激光熔化Ti6Al4V块材延展性的搅拌摩擦处理方法，其特征在于，步骤(3)中利用机加工铣削Ti6Al4V基板表面去除表面氧化物、杂物，然后用丙酮和酒精清洗基板表面的油污。
5.根据权利要求1所述的提高选择性激光熔化Ti6Al4V块材延展性的搅拌摩擦处理方法，其特征在于，步骤(4)中步搅拌摩擦处理试验参数：焊接前进速度为55-75mm/min，旋转速度为350-400rpm，主轴倾角2.5°，在氩气保护下进行；FSP后处理选取钨-铼合金搅拌头，轴肩直径15mm、针长2.5mm，通过焊缝截面的金相组织图片选取较优的FSP工艺参数。
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