激光选区熔化成形点阵结构Ti-55531合金的微观组织和力学性能研究

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本文基于激光选区熔化(Selected Laser Melting,SLM)技术,用相同的激光参数制备了 RD、SC、OPT三种单元结构的Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr-1Fe合金点阵材料,然后利用LPSA、XRD、SEM、准静态压缩等实验研究方法,探究单元结构类型对Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr-1Fe钛合金点阵材料缺陷和力学性能的影响规律。然后采用不同的激光扫描速率制备了其中具有良好均匀变形能力的RD点阵材料,用XRD、OM、SEM、XRT、密度、硬度、准静态压缩等实验研究方法,探究激光扫描速率对RD结构Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr-1Fe钛合金点阵材料缺陷和力学性能的影响规律。结果表明:RD、SC、OPT三种结构的SLMTi-55531(Fe)合金点阵材料均为β相,点阵类型对相组成无影响,与纯Ti相比,RD、SC、OPT三种点阵材料bcc结构β相(211)晶面表现为择优生长。扫描速率对点阵材料的相组成未产生影响,但随着扫描速率的增加,β相峰向左偏移,点阵材料对应的晶格常数变大。不同点阵材料表现出不同的缺陷类型。RD型点阵材料为未熔合孔洞缺陷,SC型点阵材料为凝固热裂纹。OPT点阵材料为凝固收缩孔。RD型点阵材料为未熔合孔洞缺陷会影响材料的整体空隙率。SC型点阵材料的凝固热裂纹和OPT型点阵材料的凝固收缩孔对材料整体孔隙率影响并不显著。不同扫描速率对点阵材料的内部缺陷类型产生影响。20-80 μm大小的缺陷遍布在不同扫描速率的点阵样品内部。随着扫描速率的增加,20-80 μm尺寸范围内的小缺陷数量减少,材料中存在120-200 μm尺寸范围内的未熔缺陷。不同结构点阵材料的表面形貌不同。RD型点阵材料表面粗糙,有250 μm左右的蛤蟆背状物质,个别位置有显微孔缺陷。SC型点阵样品表面熔池宽半径在200 μm左右,熔池边缘存在凝固裂纹。OPT型点阵样品表面及孔壁周围都存在160 μm到230 μm范围内不均蛤蟆背状形貌,节点处表面光滑,有凝固缩孔缺陷。不同扫描速率对点阵材料的表面粗糙度也产生影响,随着扫描速率从500mm/s增加到1500mm/s,材料的表面粗糙度由10 μm增加到30 μm。不同结构点阵材料的力学性能不同。RD型点阵材料的压缩强度为27MPa,压缩弹性模量为439MPa,材料沿载荷方向发生整体均匀变形,节点处垂直于载荷方向产生宏观压缩裂纹。SC、OPT型点阵材料的压缩强度高于90 MPa,但其沿载荷方向均发生不均匀变形,SC型点阵材料在靠近点阵方形网格边缘支柱产生弯曲,OPT型点阵材料在靠近点阵圆形网格边缘加强筋结合部分发生坍塌。扫描速率对点阵材料的压缩强度有显著影响,扫描速率的降低及输入能量的增加可大幅提高点阵材料的压缩强度,当扫描速率由1500 mm/s减小至500 mm/s时,RD型点阵材料的压缩强度由23 MPa提高到33 MPa。
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