CN112962041A - 一种提高增材制造tc4钛合金材料断裂韧性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及增材制造钛合金材料加工制备领域，具体是一种提高增材制造TC4钛合金材料断裂韧性的方法。该方法的具体实施过程为：首先在真空环境下将增材制造TC4钛合金材料在600～800℃的条件下保温1～4h后炉冷，然后在温度850～950℃的条件下保温1～4h后炉冷，得到双重热处理的增材制造TC4钛合金材料。本发明将增材制造TC4钛合金材料在低温下进行去应力真空退火热处理，消除增材制造TC4钛合金的内应力，避免高温热处理过程中发生变形；随后在两相区高温段进行真空固溶热处理，通过固溶热处理温度的变化对增材制造快速凝固α′马氏体转化的板条α相尺度进行调控，从而使得裂纹在扩展过程中的路径更加曲折、偏转角度增大，大幅度提高了增材制造TC4钛合金材料的断裂韧性。

Description

一种提高增材制造TC4钛合金材料断裂韧性的方法
技术领域：
本发明涉及增材制造钛合金材料加工制备领域，具体是一种提高增材制造TC4钛合金材料断裂韧性的方法。
背景技术：
钛合金具有比强度高、密度低、耐腐蚀性良好等特点，被广泛应用于船舶、石油化工、航空航天及医疗领域。近几年随着航空航天相关技术的发展，对材料的要求越来越高，尤其是对可以起到明显减重作用的轻质结构材料的强韧性匹配要求越来越苛刻。同时，基于新型装备性能提升的需求，新型高性能器件的结构和形状的复杂性也越来越高。增材制造技术是一种利用高能束对金属粉末或者丝材逐点扫描熔化、逐线扫描搭接和逐层扫描堆积成形的金属材料加工技术，该技术可以实现复杂结构和形状的直接成形，但是在加工过程中熔化的金属以高达104～107K/s的冷却速率凝固，导致成形金属材料的组织为非平衡超快速凝固组织，合金强度高、韧性低，显著影响构件的性能稳定性。对于增材制造TC4钛合金而言，其组织由针状马氏体α′相组成，具有强度高、韧性低的特点，而增材制造成形的TC4钛合金复杂构件无法通过常规加工工艺来提升损伤容限性能，如何提升增材制造复杂结构TC4合金材料的断裂韧性是该技术在构件领域应用需要解决的关键问题之一。
发明内容：
为了解决以上问题，本发明的目的是提供一种提高增材制造TC4钛合金材料断裂韧性的方法，通过设计合理的热处理技术来提升增材制造TC4钛合金断裂韧性，对实现材料的强韧性匹配、推动其在航空航天领域应用具有重要的意义。
为了实现以上目的，本发明的技术方案：
一种提高增材制造TC4钛合金材料断裂韧性的方法，该方法的具体过程为：
(1)去应力退火
在真空环境下将增材制造TC4钛合金材料在600～800℃的条件下保温1～4h后炉冷；
(2)真空固溶热处理
继续在温度850～950℃的条件下保温1～4h后炉冷，得到双重热处理的增材制造TC4钛合金材料。
所述的提高增材制造TC4钛合金材料断裂韧性的方法，增材制造TC4钛合金为铺粉型激光选区熔化增材制造的TC4钛合金。
所述的提高增材制造TC4钛合金材料断裂韧性的方法，增材制造TC4钛合金材料在真空环境下升温到600～800℃，在该温度下保温1～4h后，自然炉冷到室温出炉，获得低内应力的TC4钛合金材料。
所述的提高增材制造TC4钛合金材料断裂韧性的方法，低内应力状态下的增材制造TC4钛合金材料在真空环境下升温到850～950℃，在该温度下保温1～4h后，自然炉冷到室温出炉。
所述的提高增材制造TC4钛合金材料断裂韧性的方法，在去应力退火后，在两相区高温段进行真空固溶热处理，通过真空固溶热处理温度的变化对增材制造快速凝固α′马氏体转化的板条α相尺度进行调控，随着热处理温度的升高板条α相的长宽比也发生变化，其中：板条α马氏体的长度范围为8～15μm，宽度范围为0.7～5μm，长宽比为2～12(优选的，板条α马氏体的长度范围为8～15μm，宽度范围为2～5μm，长宽比为2～6)。
本发明的设计思想是：
本发明方法首先在真空环境下将增材制造TC4钛合金材料在600～800℃的条件下保温1～4h后炉冷，然后在温度850～950℃的条件下保温1～4h后炉冷，得到双重热处理的增材制造TC4钛合金材料。本发明将增材制造TC4钛合金材料在低温下进行去应力真空退火热处理，消除增材制造TC4钛合金的内应力，避免高温热处理过程中发生变形；随后在两相区高温段进行真空固溶热处理，通过真空固溶热处理温度的变化对增材制造快速凝固α′马氏体转化的板条α相尺度进行调控，随着热处理温度的升高板条α相的长宽比也发生变化，从而使得裂纹在扩展过程中的路径更加曲折、偏转角度增大，大幅度提高了增材制造TC4钛合金材料的断裂韧性，采用本发明的方法可以将断裂韧性从43.1MPa1/2提高到109MPa1/2，实现了材料的强韧匹配，为激光增材制造TC4钛合金材料在承力结构领域的应用提供了一种增韧方法。
本发明的优点及有益效果在于：
本发明是一种提高增材制造TC4钛合金材料断裂韧性的方法，将增材制造得到的TC4钛合金在真空环境中，首先在低温下进行去应力退火热处理，之后在两相区高温段进行真空固溶热处理，可以将快冷导致的针状α′马氏体相转化为板条α相，并且通过控制板条片层的厚度，改变增材制造TC4钛合金材料的断裂模式，大幅度提高了增材制造TC4钛合金材料的断裂韧性，解决增材制造TC4钛合金强度高、塑性低导致的强韧性不匹配的问题。
附图说明：
图1为600℃热处理的增材制造TC4钛合金的扫描电镜显微组织和断裂韧性断口；
图2为600℃热处理后700℃热处理的增材制造TC4钛合金的扫描电镜显微组织和断裂韧性断口；
图3为600℃热处理后800℃热处理的增材制造TC4钛合金的扫描电镜显微组织和断裂韧性断口；
图4为600℃热处理后900℃热处理的增材制造TC4钛合金的扫描电镜显微组织和断裂韧性断口；
图5为600℃热处理后950℃热处理的增材制造TC4钛合金的扫描电镜显微组织和断裂韧性断口。
具体实施方式：
在具体实施过程中，本发明增材制造TC4钛合金材料在真空环境下升温到600～800℃，在该温度下保温1～4h后关闭辅助冷却装置，自然炉冷到室温出炉，获得低内应力的TC4钛合金材料。低应力状态下的增材制造TC4钛合金材料在真空环境下升温到850～950℃，在该温度下保温1～4h，之后关闭辅助冷却装置，自然炉冷到室温出炉。
下面，通过对比例和实施例进一步详细阐述本发明。
对比例1
本对比例的具体过程为：通过增材制造的方式得到TC4钛合金材料，将材料在真空环境下升温到600℃后在该温度下保温2h，之后炉冷得到去应力退火之后的增材制造TC4钛合金材料。
图1是本对比例增材制造TC4钛合金的扫描电镜显微组织和断裂韧性断口。从图1(a)中可以看出，本对比例的TC4钛合金组织完全为针状α′马氏体相。同时，从图1(b)中可以看出，断裂韧性断口显示具有解理断裂和韧性断裂的特征，是以解理断裂为主的混合型断裂。
对比例2
本对比例中，通过增材制造的方式得到TC4钛合金材料，将材料在真空环境下升温到600℃后在该温度下保温2h，之后炉冷得到去应力退火之后的增材制造TC4钛合金材料。然后在真空环境下升温到700℃后在该温度下保温2h，再炉冷，得到固溶热处理态增材制造TC4钛合金材料。
图2是本对比例600℃后再700℃热处理的增材制造TC4钛合金的扫描电镜显微组织和断裂韧性断口。从图2(a)中可以看出，本对比例经热处理后的TC4钛合金组织中出现板条α马氏体相，但是针状α′马氏体相集束也还存在。板条α马氏体的长度9.18μm，宽度为0.78μm，长宽比为11.77。板条α马氏体相的出现为裂纹的扩展增加了障碍。同时，从图2(b)中可以看出，断裂韧性断口显示具有解理断裂和韧性断裂的特征，是以解理断裂为主的混合型断裂。
对比例3
本对比例中，通过增材制造的方式得到TC4钛合金材料，将材料在真空环境下升温到600℃后在该温度下保温2h，之后炉冷得到去应力退火之后的增材制造TC4钛合金材料。然后在真空环境下升温到800℃后在该温度下保温2h，再炉冷，得到固溶热处理态增材制造TC4钛合金材料。
图3是本对比例600℃后再800℃热处理的增材制造TC4钛合金的扫描电镜显微组织和断裂韧性断口。从图3(a)中可以看出，本对比例经热处理后的TC4钛合金组织中完全为板条α马氏体相，板条α马氏体的长度9.36μm，宽度为1.10μm，长宽比为8.51。板条α马氏体相的出现为裂纹的扩展增加了障碍。同时，从图3(b)中可以看出，断裂韧性断口显示具有解理断裂和韧性断裂的特征，但是变为以韧性断裂为主的混合型断裂。
实施例1
本实施例中，通过增材制造的方式得到TC4钛合金材料，将材料在真空环境下升温到600℃后在该温度下保温2h，之后炉冷得到去应力退火之后的增材制造TC4钛合金材料。然后在真空环境下升温到900℃后在该温度下保温2h，再炉冷，得到固溶热处理态增材制造TC4钛合金材料。
图4是本实施例是600℃后900℃热处理的增材制造TC4钛合金的扫描电镜显微组织和断裂韧性断口。从图4(a)中可以看出，本实施例经热处理后的TC4钛合金组织中完全为板条α马氏体相，同时板条α马氏体相的尺寸变得粗大，板条α马氏体的长度9.31μm，宽度为2.25μm，长宽比为4.14。为裂纹的扩展增加了障碍，使裂纹扩展发生偏转且偏转的角度增大。同时，从图4(b)中可以看出，断裂韧性断口显示具有解理断裂和韧性断裂的特征，为以韧性断裂为主的混合型断裂。
实施例2
本实施例中，通过增材制造的方式得到TC4钛合金材料，将材料在真空环境下升温到600℃后在该温度下保温2h，之后炉冷得到去应力退火之后的增材制造TC4钛合金材料。然后在真空环境下升温到950℃后在该温度下保温2h，再炉冷，得到固溶热处理态增材制造TC4钛合金材料。
图5是本实施例是600℃后950℃热处理的增材制造TC4钛合金的扫描电镜显微组织和断裂韧性断口。从图5(a)中可以看出，本实施例经热处理后的TC4钛合金组织中完全为板条α马氏体相，同时板条α马氏体相的尺寸进一步粗大，板条α马氏体的长度12.06μm，宽度为3.91μm，长宽比为3.08。为裂纹的扩展增加了障碍，使得裂纹扩展进一步发生偏转且偏转的角度继续增大。同时，从图5(b)中可以看出，断裂韧性断口显示具有解理断裂和韧性断裂的特征，为以韧性断裂为主的混合型断裂。
将对比例1～对比例3和实施例1～实施例2热处理后得到的增材制造TC4钛合金材料的性能进行检测，结果见下表1。
表1对比例1～对比例3和实施例1～实施例2热处理后得到的增材制造TC4钛合金材料的性能
Figure BDA0002927712580000051
从表1可以看出，将采用本发明方法得到的热处理后的增材制造TC4钛合金材料的性能，特别是实施例2与对比例1和对比例2的性能比较后，去应力退火后两相区高温段热处理可以明显提升材料的断裂韧性，其断裂韧性的数值提升253％。其余的热处理温度处理后的断裂韧性的数值也均有提升，可以明显解决增材制造TC4钛合金强韧性匹配的问题，为材料的实际应用提供了有效的解决方法。
以上所述，仅是本发明的较最佳的案例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (5)

1.一种提高增材制造TC4钛合金材料断裂韧性的方法，其特征在于，该方法的具体过程为：
(1)去应力退火
在真空环境下将增材制造TC4钛合金材料在600～800℃的条件下保温1～4h后炉冷；
(2)真空固溶热处理
继续在温度850～950℃的条件下保温1～4h后炉冷，得到双重热处理的增材制造TC4钛合金材料。
2.根据权利要求1所述的提高增材制造TC4钛合金材料断裂韧性的方法，其特征在于，增材制造TC4钛合金为铺粉型激光选区熔化增材制造的TC4钛合金。
3.根据权利要求1所述的提高增材制造TC4钛合金材料断裂韧性的方法，其特征在于，增材制造TC4钛合金材料在真空环境下升温到600～800℃，在该温度下保温1～4h后，自然炉冷到室温出炉，获得低内应力的TC4钛合金材料。
4.根据权利要求3所述的提高增材制造TC4钛合金材料断裂韧性的方法，其特征在于，低内应力状态下的增材制造TC4钛合金材料在真空环境下升温到850～950℃，在该温度下保温1～4h后，自然炉冷到室温出炉。
5.根据权利要求1所述的提高增材制造TC4钛合金材料断裂韧性的方法，其特征在于，在去应力退火后，在两相区高温段进行真空固溶热处理，通过真空固溶热处理温度的变化对增材制造快速凝固α′马氏体转化的板条α相尺度进行调控，随着热处理温度的升高板条α相的长宽比也发生变化，其中：板条α马氏体的长度范围为8～15μm，宽度范围为0.7～5μm，长宽比为2～12。
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