电子束与激光选区熔化法制备Ti-6Al-4V合金的组织与力学性能研究

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电子束熔化逐层成型技术(Electron Beam Melting,EBM)与激光选区熔化成型技术(SelectiveLaser Melting,SLM)是近年来快速发展的两种典型的增材制造技术,在医疗、航空航天领域有着广泛的应用前景。因此加强对两种技术成型件的组织与力学性能的研究是十分有必要的。本文采用Ti-6A1-4V合金粉末为原材料,分别采用EBM与SLM两种快速成型技术,制备出垂直、平行于基板方向和不同直径尺寸的Ti-6Al-4V合金棒材,意在研究样品取向、尺寸和热等静压工艺对EBM及SLM法Ti-6A1-4V合金显微组织和力学性能的影响,并对SLM与EBM两种方法制备的样品的微观组织,拉伸性能及疲劳性能进行比较。样品尺寸与样品取向对孔隙率和微观组织的影响,及它们对样品拉伸和疲劳性能的影响在文中得到系统的阐述。SLM法制备的样品的微观组织为针状α’六方马氏体,而EBM法制备的样品的微观组织为α+ β相。EBM法制备的样品内部孔隙多成球形,数量较少,尺寸较大,集中分布在1×10-4~1×10-3mm3;而SLM法制备的样品内部孔隙形状十分不规则,出现成排的趋势,并且数量较多,尺寸较小,集中分布在1×10-5~1×10-4 mm3。随着样品尺寸的减小,EBM与SLM法制备的样品的α/α’片层厚度出现降低的趋势,这种趋势在EBM不同尺寸的样品中比较明显,而在SLM的样品中不明显。与EBM的样品组织片层厚度(1.6μm)相比,SLM样品的组织片层厚度(0.6 μm)整体维持在较低的水平。这就导致样品尺寸对EBM法制备的合金的力学性能的影响比较明显,但对SLM法制备的合金的力学性能的影响不大。所有SLM与EBM法制备的纵向样品的抗拉强度及延展性要优于横向样品的抗拉强度及延展性。这主要是由于样品成型时快速凝固冷却,致使样品冷却后的微观组织与原始β柱状晶存在相同的取向关系。两种方法成型的纵横向样品的原始β柱状晶的生长方向与纵向样品的拉伸应力方向平行,而与横向样品的拉伸应力方向垂直。SLM法制备的样品的拉伸强度要高于EBM法制备的样品的拉伸强度,EBM的拉伸性能可以与锻件媲美,都表现出优异的拉伸性能,而SLM的样品的拉伸性能与锻件相比表现出高强度低塑性的特点。原始态的EBM样品比SLM样品拥有略高的疲劳极限强度,这主要与两种方法成型的样品在微观组织与内部缺陷上的差异有关。热等静压处理后,SLM与EBM法制备的样品的疲劳强度都会升高,并且超过550 MPa,可以与锻件的疲劳性能媲美。但是热等静压处理之后SLM的疲劳极限强度仍低于EBM热等静压处理之后的样品,这主要是由于SLM热等静压后的组织虽然有一定程度的粗化,但仍保持细长的形态,且热等静压处理并不能完全将样品内部的孔隙完全消失。
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