激光熔化沉積-ial合金的組織與性能

激光熔化沉積-ial合金的組織與性能

1激光官墻沉積技術(shù)低密度、高彈性模量、高高溫強(qiáng)度、良好的抗逆性和抗疲勞等優(yōu)點(diǎn)。這是一種在航空航天、汽車等領(lǐng)域具有重要發(fā)展前景的高溫結(jié)構(gòu)材料。但γ-TiAl基合金室溫延性很低,加工成形非常困難,限制了其使用的廣泛性,為此,研究人員正積極發(fā)展其近凈成形技術(shù),如粉末冶金、精密鑄造、定向凝固和激光熔化沉積等。激光熔化沉積技術(shù)是一種先進(jìn)的數(shù)字化添加材料成形技術(shù),該技術(shù)通過(guò)高功率激光熔化同步輸送的合金粉末,在成形基板上逐層堆積材料,可以直接由CAD模型得到近終形零件,在小批量零件的直接制造、高附加值零件的修復(fù)以及梯度復(fù)合材料的制備等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。TiAl金屬間化合物合金在激光熔化沉積過(guò)程中由于較高熱應(yīng)力的存在,極易發(fā)生開裂,且很難通過(guò)改變工藝參數(shù)來(lái)解決,將鈦合金基體適度預(yù)熱可以避免開裂的發(fā)生,但預(yù)熱會(huì)使得工藝變得復(fù)雜。H.P.Qu等通過(guò)激光熔化沉積技術(shù)制備出具有定向柱晶的Ti-47Al-2.5V-1Cr(合金粉末成分中元素前的數(shù)字代表該元素在合金中的原子數(shù)分?jǐn)?shù),%)合金薄壁并分析了組織及室溫拉伸性能,沒有對(duì)該沉積材料的開裂行為進(jìn)行分析和說(shuō)明。本文通過(guò)激光熔化沉積制備出γ-TiAl合金(Ti-47Al-2Cr-2Nb-0.5W-0.15B)樣品,著重分析其開裂行為及控制方法、凝固組織及室溫和高溫下的力學(xué)性能。2試樣制備與微觀組織觀察激光熔化沉積用γ-TiAl合金粉末采用等離子體感應(yīng)熔煉氣體霧化工藝制備,由中國(guó)科學(xué)院金屬研究所提供,粉末粒度為-60目(250mm),γ-TiAl合金粉末的名義成分為Ti-47Al-2Cr-2Nb-0.5W-0.15B。激光熔化沉積在配有5kWCO2橫流激光器的專用系統(tǒng)上進(jìn)行,采用焦長(zhǎng)為350mm的銅反射聚焦鏡對(duì)激光束進(jìn)行聚焦,光斑直徑約為3.0mm;采用同軸方式送粉,送粉載氣為氬氣,載氣流量為2.5L/min。激光熔化沉積在保護(hù)氣氛箱內(nèi)進(jìn)行,沉積前通過(guò)預(yù)抽真空、充氬氣清洗將箱體內(nèi)氧體積分?jǐn)?shù)降低至2×10-5以下。沉積基板為TC4鈦合金板,尺寸為120mm×120mm×6mm,表面經(jīng)400#砂紙打磨后用乙醇擦拭干凈。沉積過(guò)程中送粉速率設(shè)定為3.2g/min,激光功率為2.0kW,激光頭沿高度方向的移動(dòng)距離可根據(jù)觀測(cè)實(shí)際沉積情況實(shí)時(shí)加以調(diào)整,以保證粉末的匯聚點(diǎn)與激光熔池相重合。沉積后沿平行和垂直于激光掃描方向切取樣品,制成金相試樣,采用Axiovert200MAT光學(xué)顯微鏡(OM)及S-4800掃描電鏡(SEM)觀察其微觀組織,采用D/max-2200PCX射線衍射(XRD)儀分析經(jīng)加工的沉積材料表面。將激光沉積的薄壁在箱式電阻爐中650℃保溫2h后進(jìn)行空冷的去應(yīng)力退火處理,沿薄壁的高度及長(zhǎng)度方向切取試樣,加工成如圖1所示的拉伸試樣,在Instron拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫及高溫拉伸試驗(yàn),加載速率為0.3mm/min,用S-4800掃描電鏡觀察斷口形貌。3試驗(yàn)結(jié)果與分析3.1熱應(yīng)力沉積首先嘗試采用單道往復(fù)沉積方式和不同的掃描速度沉積制備出長(zhǎng)度為80mm的薄壁,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在沉積數(shù)層后,在薄壁長(zhǎng)度方向約每隔10mm就出現(xiàn)一條垂直于基板的裂紋,改變掃描速度(3～6mm/s)均不能避免開裂的發(fā)生,這主要與沉積時(shí)材料內(nèi)部存在較高的熱應(yīng)力有關(guān)。有限元分析表明,在沉積層頂部及界面結(jié)合區(qū)存在拉應(yīng)力區(qū),且在沉積初期階段隨層數(shù)增加拉應(yīng)力存在累積增大并趨于平衡和逐漸降低的過(guò)程,當(dāng)累積瞬時(shí)熱應(yīng)力超過(guò)沉積材料的高溫強(qiáng)度時(shí)將導(dǎo)致熱裂紋的產(chǎn)生。沉積裂紋形成后將釋放沉積材料內(nèi)部的熱應(yīng)力,在裂紋尖端應(yīng)力的作用下,繼續(xù)沉積時(shí)裂紋會(huì)沿高度方向有一定的延伸,隨后裂紋逐漸愈合。在沉積材料出現(xiàn)開裂后,繼續(xù)沉積一定高度后,由于沉積材料的凝固收縮作用,會(huì)導(dǎo)致沉積薄壁兩端與基板結(jié)合處脫開,從而使得沉積時(shí)通過(guò)基體傳熱的能力下降和溫度梯度的下降,相應(yīng)的熱應(yīng)力水平逐漸下降,繼續(xù)沉積時(shí)材料裂紋漸漸愈合。圖2給出了激光熔化沉積80mm長(zhǎng)薄壁的情況,共連續(xù)沉積180層,在沉積10層左右開始形成垂直于基板的裂紋,沉積到100層后裂紋完全消除,薄壁底部?jī)啥伺c基板已經(jīng)完全脫開。薄壁頂部出現(xiàn)的高低起伏與薄壁的開裂和界面剝離有關(guān),這是由于沉積過(guò)程中,沉積頭沿高度方向的移動(dòng)量參照薄壁端部的沉積情況進(jìn)行調(diào)節(jié),使得界面未脫開處所對(duì)應(yīng)薄壁頂部沉積點(diǎn)與送粉頭的距離有所變大,同時(shí),相對(duì)于界面已脫開位置,此處向基板的傳熱更快,最終導(dǎo)致與基板良好結(jié)合位置對(duì)應(yīng)處薄壁頂部稍低(如圖2中箭頭所指)。所沉積薄壁具有光亮的表面,表明沉積時(shí)材料得到了有效的保護(hù),圖2所示薄壁底部的空缺部分是薄壁從基板上取下時(shí),與基板結(jié)合良好的部分被遺留在基板表面所致。在沉積單道薄壁時(shí),激光熔池的溫度梯度及熱應(yīng)力大小隨薄壁長(zhǎng)度的縮短而降低,因此,縮短薄壁的長(zhǎng)度可以降低激光熔化沉積材料的開裂傾向。嘗試采用如圖2所示薄壁沉積時(shí)的工藝(掃描速度為6mm/s,每層高度為0.22mm),成功制備出42mm×88mm×3.5mm的薄壁樣,如圖3所示。薄壁表面出現(xiàn)的平行痕跡是每掃描沉積50層后短暫停留引起的,所沉積薄壁沒有出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。在嘗試采用激光熔化沉積制備直徑45mm的γ-TiAl合金圓形薄壁零件時(shí),同樣出現(xiàn)嚴(yán)重的沿周向開裂現(xiàn)象,將基板預(yù)熱至300℃亦無(wú)法消除,這主要與沉積時(shí)圓形薄壁受到基板的約束作用及熱應(yīng)力有關(guān)。鑒于激光熔化沉積薄壁時(shí)熱應(yīng)力的變化規(guī)律以及鈦合金激光熔化沉積時(shí)不容易開裂的特性,先采用激光熔化沉積方法在TC4鈦合金基板上沉積20層TA12鈦合金,隨后連續(xù)沉積γ-TiAl合金,成功制備出具有良好尺寸精度和表面質(zhì)量的圓形薄壁零件,如圖4(a)所示。所沉積圓形薄壁的高度為45mm,共沉積200層,無(wú)開裂發(fā)生。由于TA12鈦合金具有高的強(qiáng)度和韌性,沉積時(shí)的熱應(yīng)力累積水平不足以引起開裂,沉積TA12所產(chǎn)生的熱累積作用顯著降低了隨后沉積γ-TiAl合金時(shí)的溫度梯度和熱應(yīng)力水平,從而解決了直接沉積γ-TiAl合金的開裂難題。基于上述經(jīng)驗(yàn),通過(guò)在TC4鈦合金基板的側(cè)壁先沉積200層TA12鈦合金(高約55mm),然后緊接著沉積300層γ-TiAl合金(約75mm高),成功制備出具有良好質(zhì)量的TC4/TA12/γ-TiAl合金復(fù)合的薄壁樣品,如圖4(b)所示。TC4合金與TA12合金以及TA12合金與γ-TiAl合金的結(jié)合界面良好,沉積材料無(wú)開裂。3.2激光熔融沉積-tial合金的力學(xué)性能圖5(a)為激光熔化沉積γ-TiAl合金薄壁沿沉積高度截面的微觀組織,可以看出沉積材料內(nèi)部組織致密,在低倍下能大致分辨出沉積的每一層,層間顏色較亮區(qū)域?yàn)樯蠈映练e時(shí)對(duì)已沉積層表面重熔和熱影響所致,在高度截面上未出現(xiàn)明顯的柱晶組織。這可能與所采用的工藝及合金成分的不同有關(guān)。圖5(b)為其高倍組織,已很難分辨沉積的每一層,沉積材料內(nèi)部組織均勻,主要由不同取向的層片狀晶團(tuán)組成。圖6為所沉積薄壁沿垂直和平行于基板截面的SEM組織照片,可見,激光熔化沉積γ-TiAl合金主要為片層結(jié)構(gòu),在層片晶團(tuán)交界處存在少量的基體相(如圖6中箭頭所示),此結(jié)構(gòu)特征與文獻(xiàn)所報(bào)道的相一致,層片晶團(tuán)的尺寸約10μm。圖7為激光熔化沉積γ-TiAl合金的XRD分析結(jié)果,所沉積材料主要由γ-TiAl和α2-Ti3Al兩相組成。由Ti-Al二元相圖可知,γ-TiAl合金在激光熔化沉積過(guò)程中將經(jīng)歷由L→α→α+γ→α2+γ的變化過(guò)程,其中L代表液相,α代表高溫亞穩(wěn)過(guò)渡相,γ代表從亞穩(wěn)過(guò)渡相中先析出的γ-TiAl相,該相具有L10結(jié)構(gòu),α2代表后析出相,為Ti3Al,具有DO19結(jié)構(gòu)。片層晶團(tuán)之間的基體相為γ-TiAl相,激光熔化沉積過(guò)程較快的冷卻速率(103～104K/s)導(dǎo)致上述細(xì)小層片狀組織的形成,片層晶團(tuán)由相互平行的γ-TiAl和α2-Ti3Al兩相組成。表1給出了激光熔化沉積γ-TiAl合金在室溫及高溫下的拉伸力學(xué)性能,拉伸方向如圖3所示,表中同時(shí)給出了熔模鑄造Ti-48Al-2Nb-2Cr的相應(yīng)性能。可以看出,室溫下激光熔化沉積γ-TiAl合金在水平及高度方向的強(qiáng)度有很大差別,分別為810MPa和575MPa,這可能與沿高度方向?qū)优c層之間熱影響區(qū)的存在有關(guān)。通過(guò)比較可以看出,激光熔化沉積Ti-47Al-2Cr-2Nb-0.5W-0.15B合金的室溫及高溫強(qiáng)度均高于熔模鑄造的Ti-48Al-2Nb-2Cr合金。沉積材料沿高度方向750℃的強(qiáng)度達(dá)550MPa,接近室溫下的強(qiáng)度,沿水平方向850℃的高溫拉伸強(qiáng)度達(dá)625MPa,顯示出優(yōu)異的高溫力學(xué)性能,細(xì)小的片層狀結(jié)構(gòu)及晶團(tuán)有助于提高γ-TiAl合金的高溫蠕變強(qiáng)度。圖8給出了激光熔化沉積γ-TiAl合金室溫及高溫拉伸斷口的SEM照片?？梢?在所有測(cè)試條件下,所沉積的γ-TiAl合金均表現(xiàn)出明顯的脆性斷裂特征,具有典型的沿晶解理斷裂形貌,750℃下為片層區(qū)域的穿晶解理斷裂和γ相區(qū)的沿晶斷裂,850℃下為穿晶解理斷裂。激光熔化沉積的Ti-48Al-2Mn-2Nb合金在700℃下具有長(zhǎng)期的組織穩(wěn)定性,經(jīng)200h的800℃退火處理發(fā)生完全再結(jié)晶。因此可以推斷,在850℃的高溫拉伸過(guò)程中,沉積材料內(nèi)部發(fā)生了部分再結(jié)晶,使得斷口表面片層更加清晰,且片層的厚度有所增加,如圖8(c)所示。4-tial基合金的制備1)激光熔化沉積Ti-47Al-2Cr-2Nb-0.5W-0.15B合金具有較高的開裂傾向,通過(guò)縮短激光往復(fù)掃描沉積的長(zhǎng)度及引入具有較高韌性的TA12鈦合金作為過(guò)渡材料,可大大減緩