CN110983106A

CN110983106A - 一种抑制3d打印成形tc4合金组织中针状马氏体相形成的方法

Info

Publication number: CN110983106A
Application number: CN201911373612.4A
Authority: CN
Inventors: 李小强; 傅道健; 王敏; 张震; 屈盛官
Original assignee: South China University of Technology SCUT; China South Industries Group Automation Research Institute
Current assignee: South China University of Technology SCUT; China South Industries Group Automation Research Institute
Priority date: 2019-12-27
Filing date: 2019-12-27
Publication date: 2020-04-10
Anticipated expiration: 2039-12-27
Also published as: CN110983106B

Abstract

本发明属于金属材料的3D打印增材制造技术领域，公开了一种抑制3D打印成形TC4合金组织中针状马氏体相形成的方法。将TC4粉末在TC4合金板基材上进行激光熔化沉积成形，得到形状满足要求的TC4钛合金材料；利用线切割技术将所得TC4钛合金材料与基材分离，得到塑韧性满足使用要求的TC4合金材料。本发明的方法主要解决了TC4钛合金在激光熔化沉积成形过程中易得到细针状的α′马氏体组织，导致材料塑韧性较差的问题。所得TC4合金室温抗拉强度大于1000MPa，屈服强度不小于950MPa，断后伸长率超过10％，在保证强度要求的情况下还具有出色的塑性，满足工业应用要求，降低快速制造成本，提高生产效率。

Description

一种抑制3D打印成形TC4合金组织中针状马氏体相形成的方法

技术领域

本发明属于金属材料的3D打印增材制造技术领域，具体涉及一种抑制3D打印成形TC4合金组织中针状马氏体相形成的方法。

背景技术

金属3D打印技术是近几年大热的研究课题，它以“离散+堆积”的增材制造理念作为基础，以金属粉末为原材料，运用高能粒子束将其熔化，再结合三维数字模型逐层堆积制备金属零件。

TC4钛合金由于其具有低密度、高比强度、良好的耐蚀性能、高温抗蠕变性以及生物相容性等出色的性能特点得到人们的重视。在航空航天等诸多重要领域拥有广阔的应用。但是钛的活性高，易氧化、易与其他元素发生反应，因此钛的冶炼制备成本较高。而且钛合金的工艺性能差，切削加工困难，抗磨性差，生产工艺复杂。相比于铸造与锻造等传统的成型工艺，TC4钛合金更适合于使用3D打印成形工艺制备。首先其属于近净成形技术，节省机械加工时间和减少金属废料，适于制备难加工、难变形钛合金零件；其次它对材料的利用率更高，生产周期短，生产成本低，生产效率高。

但一般3D打印成形的TC4合金，其介观组织都为沿沉积高度方向外延生长的柱状条带组织，而其微观组织都为细针状的α′马氏体组织构成，如图1所示。这样得到的TC4合金材料，虽然具有一定的强度，但其塑性韧性却很差，难以达到工业使用的要求。所以3D打印成形的TC4钛合金往往要经过一定的热处理工艺使针状马氏体组织转变，提高其塑韧性才可以满足使用要求。这大大降低了实际生产效率，而且生产成本也随之增加。

发明内容

针对以上现有技术的缺点以及不足之处，本发明的目的在于提供一种抑制3D打印成形TC4合金组织中针状马氏体相形成的方法。使3D打印成形TC4钛合金的塑韧性满足使用要求。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种抑制3D打印成形TC4合金组织中针状马氏体相形成的方法，包括如下步骤：

(1)将TC4粉末在TC4合金板基材上进行激光熔化沉积成形，得到形状满足要求的TC4钛合金材料；

(2)利用线切割技术将所得TC4钛合金材料与基材分离，得到塑韧性满足使用要求的TC4合金材料。

进一步的，所述TC4粉末通过等离子旋转电极制粉得到；粉末粒径为93-234μm；其主要组分的质量含量为：铝5.5％-6.8％，钒3.5％-4.5％，铁≤0.3％，氮≤0.05％，氢≤0.015％，氧≤0.2％，余量为钛。

进一步的，所述TC4粉末在使用前经真空干燥处理去除水分，避免因水分的存在而使得成形件出现气孔缺陷；并采用真空封装，避免粉末被空气污染氧化以影响成形件性能。所述真空干燥处理的温度优选为120℃，时间优选为100min。

进一步的，所述TC4合金板基材在使用前经砂纸打磨去除氧化层，然后分别用酒精和丙酮擦拭处理，使基材表面光洁平整，以更好的满足3D打印成形的成形条件。所述砂纸打磨是指依次使用100目和600目的砂纸打磨。

进一步的，所述激光熔化沉积成形的条件为：激光功率1500-2000W，扫描速度8-12mm/s，送粉速率7-10.5g/min，激光光斑直径为3mm，沉积层厚为0.60-1.12mm，搭接率为45％。

进一步的，步骤(2)所得TC4合金材料的显微组织主要由板条状α+β相组织构成，其室温抗拉强度大于1000MPa，屈服强度不小于950MPa，断后伸长率超过10％。

本发明的原理主要是从改变细针状马氏体的形成条件入手，因为3D打印成形是一个快速加热快速冷却的过程，其冷却速度极快，这就导致了细针状马氏体的形成。因此本发明抑制针状马氏体形成，主要从两个方面展开：①通过应用较高的激光功率(>1500W)，使得成形时的温度梯度降低，从而降低凝固冷却速度，以降低针状马氏体的形成量；②通过沉积层对上一沉积层的热影响这种强化固有热处理的形式给已凝固的TC4层提供β相变(～882℃)条件，并且在我们设定的沉积层厚(0.60-1.12mm)下，促进已形成的针状马氏体充分转变为宽厚的α+β板条组织。

本发明具有如下优点及有益效果：

本发明的方法主要解决了TC4钛合金在激光熔化沉积成形过程中易得到细针状的α′马氏体组织，导致材料塑韧性较差的问题。本发明制备的成形构件，其显微组织主要由板条状α+β相组织(在透射电镜下观测到了β相)构成，其室温抗拉强度大于1000MPa，屈服强度不小于950MPa，断后伸长率超过10％，而一般3D打印的TC4合金往往呈现出高强度低塑性的特点，往往只有通过后续的热处理工艺使得成形件中的α′马氏体转变才能符合工业应用要求的性能。而采用本发明方法成形的TC4钛合金，在保证强度要求的情况下还具有出色的塑性，满足工业应用要求，降低快速制造成本，提高生产效率。

附图说明

图1为现有一般3D打印工艺成形的TC4合金的显微组织OM图。

图2为本发明实施例中所用TC4粉末材料的SEM图。

图3为本发明实施例1中激光熔化沉积成形沉积态的TC4合金的显微组织光学显微镜OM图。

图4为本发明实施例1中激光熔化沉积成形沉积态的TC4合金的显微组织扫描电镜SEM图。

图5为本发明实施例1中激光熔化沉积成形沉积态的TC4合金的组织透射电镜TEM图及部分选区衍射光斑图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

以下实施例中所使用的TC4钛合金粉末通过等离子旋转电极制粉得到，材料的SEM图如图2所示。粉体球形度良好，粉末粒径为93-234μm。其主要组分的质量含量为：铝5.5％-6.8％，钒3.5％-4.5％，铁≤0.3％，氮≤0.05％，氢≤0.015％，氧≤0.2％，余量为钛。

实施例1

步骤1：将TC4钛合金粉末在真空烘干机中进行120℃，100min的烘干步骤，之后将粉末加入送粉装置并将多余的粉末真空封装保存；

步骤2：使用100目和600目的砂纸对成形TC4合金板基材进行打磨去除氧化层，然后分别用酒精和丙酮擦拭干净；

步骤3：将步骤1准备好的球形TC4粉末在步骤2的TC4合金板基材上进行激光熔化沉积成形，得到形状满足预设要求的Ti6Al4V钛合金试样。激光熔化沉积成形的工艺参数设置为：激光功率1500W、扫描速度10mm/min、送粉速率7g/min、激光光斑直径3mm、沉积厚度0.6mm、单道宽度3mm、搭接率45％；

步骤4：将激光熔化沉积成形的TC4钛合金试样使用金属线切割方法与基材分离，并且不对分离后的试样进行热处理，直接对沉积态的试样进行分析测试。

对得到的沉积态TC4合金进行组织观测，图3与图4分别为试样在光学显微镜与扫描电镜观测下的显微组织。图5为试样的透射电镜TEM图及选区衍射光斑图。可以从图中看出，与一般的3D打印工艺成形TC4合金的显微组织相比，本发明制备的TC4钛合金中的显微组织已由细针状的α′马氏体转变为板条状α+β相组织。同时对得到的沉积态TC4合金进行力学性能测试，测试方法严格遵守GB/T228.1，测试结果表明：试样的室温抗拉强度达到1032MPa，屈服强度达到956MPa，断后伸长率达到12.4％。

实施例2

步骤3：将步骤1准备好的球形TC4粉末在步骤2的TC4合金板基材上进行激光熔化沉积成形，得到形状满足预设要求的Ti6Al4V钛合金试样。激光熔化沉积成形的工艺参数设置为：激光功率2000W、扫描速度12mm/min、送粉速率10.5g/min、激光光斑直径3mm、沉积厚度0.63mm、单道宽度3.74mm、搭接率45％；

同样对得到的沉积态TC4合金进行力学性能测试，测试方法严格遵守GB/T228.1，测试结果表明：试样的室温抗拉强度达到1024MPa，屈服强度达到952MPa，断后伸长率达到15.4％。

实施例3

步骤3：将步骤1准备好的球形TC4粉末在步骤2的TC4合金板基材上进行激光熔化沉积成形，得到形状满足预设与要求的Ti6Al4V钛合金试样。激光熔化沉积成形的工艺参数设置为：激光功率2000W、扫描速度8mm/min、送粉速率10.5g/min、激光光斑直径3mm、沉积厚度1.12mm、单道宽度4.3mm、搭接率45％；

同样对得到的沉积态TC4合金进行力学性能测试，测试方法严格遵守GB/T228.1，测试结果表明：试样的室温抗拉强度达到1058MPa，屈服强度达到1000MPa，断后伸长率达到10.4％。

以上实施例结果可见，经本发明制备的Ti6Al4V钛合金成形件，在沉积态时其显微组织中的细针状α′马氏体的形成得到了有效的抑制，显微组织已大部分转变为板条状α+β相组织，而这无需添加任何抑制剂，无需后续热处理加工。有效的降低了生产制备成本，提高了生产效率。并且力学性能测试结果表明，在这样的显微组织下，试样的室温抗拉强度超过1000MPa，屈服强度不小于950MPa，断后伸长率超过10％，甚至能够达到15％的断后伸长率表现出极为出色的塑性。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种抑制3D打印成形TC4合金组织中针状马氏体相形成的方法，其特征在于包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种抑制3D打印成形TC4合金组织中针状马氏体相形成的方法，其特征在于：所述TC4粉末通过等离子旋转电极制粉得到；粉末粒径为93-234μm；其主要组分的质量含量为：铝5.5％-6.8％，钒3.5％-4.5％，铁≤0.3％，氮≤0.05％，氢≤0.015％，氧≤0.2％，余量为钛。

3.根据权利要求1所述的一种抑制3D打印成形TC4合金组织中针状马氏体相形成的方法，其特征在于：所述TC4粉末在使用前经真空干燥处理去除水分，并采用真空封装。

4.根据权利要求3所述的一种抑制3D打印成形TC4合金组织中针状马氏体相形成的方法，其特征在于：所述真空干燥处理的温度为120℃，时间为100min。

5.根据权利要求1所述的一种抑制3D打印成形TC4合金组织中针状马氏体相形成的方法，其特征在于：所述TC4合金板基材在使用前经砂纸打磨去除氧化层，然后分别用酒精和丙酮擦拭处理。

6.根据权利要求5所述的一种抑制3D打印成形TC4合金组织中针状马氏体相形成的方法，其特征在于：所述砂纸打磨是指依次使用100目和600目的砂纸打磨。

7.根据权利要求1所述的一种抑制3D打印成形TC4合金组织中针状马氏体相形成的方法，其特征在于所述激光熔化沉积成形的条件为：激光功率1500-2000W，扫描速度8-12mm/s，送粉速率7-10.5g/min，激光光斑直径为3mm，沉积层厚为0.60-1.12mm，搭接率为45％。

8.根据权利要求1所述的一种抑制3D打印成形TC4合金组织中针状马氏体相形成的方法，其特征在于：步骤(2)所得TC4合金材料的显微组织主要由板条状α+β相组织构成，其室温抗拉强度大于1000MPa，屈服强度不小于950MPa，断后伸长率超过10％。