增材制造Ti-6Al-4V点阵材料的研究进展

增材制造技术成形Ti-6Al-4V点阵材料具有高强度、低密度、生物相容性好的性能特点,在航空航天、生物医疗、海洋等领域具有极大应用潜力。本文概述了近年来增材制造Ti-6Al-4V点阵材料的研究进展,重点对选区激光熔化(SLM)和电子束选区熔化(SEBM)技术成形点阵材料的力学性能、失效行为、微观组织进行分析与总结。研究发现,SLM和SEBM技术均可获得保留原始结构特征的点阵材料,且增材制造骨骼型Diamond 极小曲面Ti-6Al-4V点阵材料抗压强度可达到411.71 MPa,屈服强度达到317.48 MPa,强度可与镁合金相媲美；点阵材料失效行为主要有45°剪切断裂以及水平断裂,剪切断裂型点阵材料强度较高,在承载方面具有独特优势,而呈水平方向断裂的点阵材料多为梯度型点阵材料,其应力应变曲线波动范围较小,在能量吸收能力方面表现出明显的优势；热处理可有效消除增材制造过程中带来的残余应力、降低粗糙度、转变亚稳、针状α"马氏体为α+β相,进而增加点阵材料的塑性,且不降低甚至提高部分Ti-6Al-4V点阵材料的强度。最后,对增材制造Ti-6Al-4V点阵材料的现存弊端以及未来发展趋势进行了展望。     

自由落体条件下Ti-6Al-4V合金微液滴的快速凝固研究

在自由落体条件下实现了Ti-6Al-4V合金微液滴的深过冷与快速凝固,研究了合金的相组成、凝固组织和显微硬度。计算出落管中不同直径微液滴的过冷度和冷却速率,揭示了Ti-6Al-4V合金凝固组织随过冷度及冷却速率的变化规律。结果表明,深过冷与快冷速的耦合作用使凝固组织不断细化且形貌发生转变:层片α+β→枝晶α→网篮状α'+β→针状α'→针状α'+不规则β。当液滴直径小于400μm时,位于原始等轴β晶的晶界及晶内的针状马氏体α'转化为大量连续分布且形状不规则的次生β相,发生α'→β固态转变。不同直径范围内的Ti-6Al-4V合金凝固组织的显微硬度与组织形貌有关,"层片组织"、"针状α'组织"和"针状α'+不规则β组织"的显微硬度随液滴直径的减小而增大,"网篮组织"的显微硬度随液滴直径的减小而减小。其中,枝晶组织的显微硬度可高达785 kg/mm~2,是母合金硬度的2.6倍。     

Ti/TiAl复合板大压下率热轧复合行为及组织性能研究

采用大压下率包套热轧法成功制备了界面无缺陷的Ti-6Al-4V(质量分数,%)/Ti-43Al-3V-2Cr(原子分数,%)复合板,并对复合板的显微组织和力学性能进行了研究。结果表明,界面区域无明显缺陷,成功避免了Kirkendall现象。复合板界面厚度约为230μm,根据相组成不同,可将界面分为2个区域,其中1区域为近Ti-6Al-4V合金界面处,主要由α/α₂+β/B2组成;界面2区域为近TiAl合金界面处,主要由α/α2+β/B2+γ组成。界面区域组织是由于Ti-6Al-4V合金中Ti元素扩散到TiAl合金层以及TiAl层的Al和Cr元素扩散到Ti-6Al-4V合金层所致。测试了复合板的界面维氏硬度和不同加载方式的三点抗弯强度。结果表明,界面1区域具有最高的显微硬度,横向试件垂直表面加载时复合板表现出最佳的抗弯能力,抗弯强度达到1150.82 MPa。基体和界面区域均为脆性断裂,界面结合处未发生断裂。     

β相区凝固的铸造γ-TiAl基合金的微观组织(英文)

采用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)及差示扫描量热仪(DSC)研究Ti-43Al-4Nb铸态合金及其热处理态合金的显微组织以及相转变行为。结果表明:通过从β相区凝固的方法可以获得组织细小的铸态Ti-43Al-4Nb合金;凝固过程中γ晶能够直接从β相中形核,β相与γ相沿初始α晶界共存,有效地抑制了铸态Ti-43Al-4Nb合金晶粒的长大;Ti-43Al-4Nb合金在凝固过程中的相转变顺序为L→L+β→β→α+β→α+βr→α+γ+βr→(α2+γ)片层+γ+βr;经1250℃、16h热处理后,Ti-43Al-4Nb合金的显微组织与铸态组织相比有一定程度的粗化;由于Nb元素的充分扩散以及β相的非平衡状态,经过上述热处理过程后残余β相能够被完全消除。     

Ti-6Al-4V合金等温锻造过程微观组织演变研究

将原始组织为网篮组织的Ti-6Al-4V合金在β单相区(1010℃)保温30 min并淬火处理可以获得α'马氏体组织。研究了初始组织为α'马氏体的Ti-6Al-4V合金在2步等温锻造过程中微观组织演变规律。结果表明:经过960℃的第1步等温锻造后,合金中马氏体相分解转变为α+β片层组织,部分片层组织发生弯曲、碎化,形成等轴晶粒,同时,合金中残留大量片层组织。800℃第2步等温锻造后,残余片层全部碎化,再结晶转变为等轴α相,获得晶粒尺寸为1.3μm的均匀等轴组织。     

Ti-6Al-4Mo(Cr,V)合金的组织特征及拉伸性能

比较分析了Ti-6Al4Mo、Ti-6Al-4Cr、Ti-6Al-4V钛合金经热处理后的显微组织及拉伸性能.结果表明,在相同的热处理状态下,Ti-6Al-4Mo、Ti-6Al-4Cr、Ti-6Al-4V钛合金中的α相尺寸呈现Mo、Cr、V依次增大的趋势.而不论热处理状态是否相同时,单位质量合金元素的强化效果均按照Cr、Mo、V的顺序降低.三种合金在α+β两相区退火后,具有较好的塑性且塑性基本相当,但Ti-6Al-4Mo合金经β退火后拉伸塑性较低.     

初生α相晶粒尺寸对Ti-6Al-4V合金压力连接界面特征及力学性能的影响（英文）

研究初生α相晶粒尺寸对Ti-6Al-4V合金压力连接界面特征及接头剪切强度的影响。定量试验结果表明,当初生α相晶粒尺寸由8.2μm增大至16.4μm时,平均空洞尺寸由0.8μm增大至2.6μm,连接率由90.9%降至77.8%。空洞形状由微小的圆形转变为不规则的条状。初生α相晶粒尺寸为8.2μm的Ti-6Al-4V合金压力连接接头剪切强度最高。这是因为初生α相晶粒尺寸越小,Ti-6Al-4V合金塑性流动能力越强,短程扩散通道越多,从而促进了空洞闭合和跨连接界面的α/β晶粒的形成。     

氧和热处理对α和β钛合金相组成和性能的影响

美国的Z.Liu和G.Welsch对Ti-6Al-2V、Ti-2Al-16V和Ti-6Al-4V等α和β钛合金进行了显微组织、X光衍射和机械性能评价,较好地查明了间隙元素氧和热处理对这些合金强度和塑性的影响。     

Y元素对铸造Ti-6Al-4V合金微观组织与力学性能的影响

本文研究了Y元素合金化对铸造Ti-6Al-4V合金微观组织与力学性能的影响。铸态合金微观组织与力学性能分别利用金相显微镜、扫描电镜、透射电镜和拉伸试验进行表征。结果显示,Ti-6Al-4V合金呈现典型的魏氏组织特征。添加Y元素后,合金中形成Y2O3颗粒并分布在初生β晶粒的晶界处,同时在晶界两侧形成平行的α/β层片结构,而晶粒内部形成相互交叉的α/β层片结构,即Y2O3明显改变了Ti基体片层组织形貌。相比于Ti-6Al-4V合金,添加Y元素之后,合金的屈服强度和抗拉强度稍有提高,但是平行的α/β层片结构和Y2O3颗粒引起合金由解理断裂向延晶断裂转变,进而导致延伸率显著减小。所以,Ti基体微观组织变化对合金力学性能同样具有重要作用。     

热处理工艺对Ti-6Al-4V钛合金点阵结构显微组织和性能的影响

采用选区激光熔化技术制备了 Ti-6Al-4V钛合金点阵结构,并进行了 700℃、800℃和900℃保温2 h炉冷的热处理.检测了点阵结构的表面形态、微观结构和压缩性能,并与制备态点阵结构作了比较.结果表明:Ti-6Al-4V点阵结构具有较高的表面粗糙度,其组织由细小的针状α'马氏体和初生柱状β相组成;热处理后,α'马...     

强度高成形性好的钛合金SP—700

日本钢管公司(NKK)研制成功高可成形性钛合金SP-700,已获日本专利,并在英、美、法、德国获得专利使用权。SP-700钛合金成分为Ti-(4～5)Al-(2.5～3.5)V-(1.8～2.2)Mo-(1.7～2.3)Fe。合金密度4.54g/cm~3,略高于Ti—6Al-4V。β转变温度900℃。该合金属具有超细组织(α_初≈3μm)的富β的α+β型钛合金。突出的优点是强度高、可成形性好,有希望代替Ti-6Al-4V,它克服了Ti-6Al-4V加工性能差的缺点。具有明显的热处理效应,下     

放电等离子烧结对纳米TiN增强Ti-6Al-4V显微组织和磨损行为的影响（英文）

采用放电等离子烧结(SPS)成功制备Ti-6Al-4V/TiN复合材料。加入Ti-6Al-4V中的TiN含量变化范围为1%~5%(体积分数)。研究添加TiN对Ti-6Al-4V材料致密度、显微组织、硬度和磨损行为的影响。实验结果表明,随着TiN含量的增加,材料的烧结密度从99%降低至97%;而显微硬度值却从HV_(0.1) 389增加至HV_(0.1) 488。X射线衍射(XRD)分析表明,伴随着少量二次Ti_2N相的形成,复合材料中TiN相的衍射峰强度增加。SEM分析表明,SPS烧结Ti-6Al-4V纳米复合材料具有细化的α/β相组织及均匀分散的TiN颗粒。与无添加烧结Ti-6Al-4V相比,Ti-6Al-4V/TiN复合材料的磨损表面呈现非连续的凹槽,抗磨粒磨损性能得到提高。     

Ti-6Al-4V宽幅薄板叠轧工艺研究

介绍了在3.3 m四辊可逆式轧机上采用β区开坯,经β处理后在α+β区成形轧制,或者在α+β区开坯,在α+β区成形轧制的两种工艺,运用包覆叠轧法研制Ti-6Al-4V合金宽幅薄板的过程.并讨论了轧制方式、变形量等和热处理制度对Ti-6Al-4V宽幅薄板性能和组织的影响.     

超声滚压Ti-6Al-4V微观组织对应力应变行为的影响

目的 通过超声滚压提高Ti-6Al-4V的屈服强度。方法 将超声振幅作为唯一变量,设置0、5、7、10μm4组试验,分析Ti-6Al-4V被加工表面及表面以下30～50μm处的应力应变行为。通过X射线衍射仪（XRD）测试不同超声振幅下Ti-6Al-4V的两相分布。采用扫描电子显微镜（SEM）,分析不同超声振幅下Ti-6Al-4V表面层塑性变形程度。使用能谱仪（EDS）观察不同超声振幅下Ti-6Al-4V表面层元素组成分布。通过万能试验机获得不同超声振幅下Ti-6Al-4V的应力应变曲线。结果 Ti-6Al-4V表面层塑性变形程度随着超声振幅的增大而增大。Ti-6Al-4V被加工表面的β相体积分数随着超声振幅的增大呈先减小后增大的趋势。当超声振幅为7μm时,Ti-6Al-4V被加工表面β相的体积分数最大（19.70%）。超声滚压Ti-6Al-4V表面层中β相的体积分数沿深度递减。Ti-6Al-4V表面层α相稳定元素Al和β相稳定元素V未出现明显与两相体积分数相同的变化趋势。Ti-6Al-4V材料的屈服强度随着超声振幅的增大呈先减小后增大的趋势。当超声振幅从5μm增至10μm时,Ti-6A...     

热处理制度对Ti-22Al-25Nb/Ti60双合金焊接接头组织与性能的影响

研究了锻后不同热处理制度对Ti-22Al-25Nb/Ti60双合金焊接接头显微组织和力学性能的影响。结果表明：Ti-22Al-25Nb/Ti60双合金试样经不同工艺热处理后焊缝组织得到不同程度的细化,强度和塑性均得到提高。热处理制度为990 ℃×1 h, AC+750 ℃4 h, AC时,Ti60合金热影响区组织主要由大量细小的等轴α相、少量的片状α相及β转变组织组成,其强度与塑性最佳,且有较好的匹配。     

新型高强度钛合金47Ti-45Zr-5Al-3V退火后的微观组织与力学性能

通过对47Ti-45Zr-5Al-3V合金进行不同温度退火处理,对其微观组织与性能的演变规律进行研究。结果表明,经过高温锻造后的47Ti-45Zr-5Al-3V合金由α+β相组成,在550℃以上温度热处理时合金中α相向β相转变。随温度升高合金中β相含量增加,当温度为800℃时α相全部转变为β相。热处理对47Ti-45Zr-5Al-3V合金的力学性能的影响取决于α相和β相含量。合金抗拉强度随β相含量增加降低,而伸长率增加。     

电脉冲处理对激光沉积Ti-6Al-4V合金强度各向异性的影响（英文）

为消除激光沉积Ti-6Al-4V合金的强度各向异性,利用拉伸试验、光学显微组织观察、扫描电子显微观察、电子背散射衍射分析和透射电子显微观察研究电脉冲对激光沉积Ti-6Al-4V合金显微组织与强度的影响。结果显示,随着施加电压从0增加到130 V,β柱状晶内的显微组织按如下顺序演化：α′马氏体→集束α组织→网篮α组织。130 V电脉冲处理会弱化β柱状晶内马氏体织构。沉积态Ti-6Al-4V合金表现出约6.2%的屈服强度各向异性;经130 V的电脉冲处理后,屈服强度各向异性减小到0.6%。这主要是由于沿不同方向变形时,130 V电脉冲处理样品表现出近似相同的施密特因子分布。     

Ti-6Al-4V合金的轧制与组织性能

采用光学显微镜、透射电镜和拉伸试验等手段,研究了多道次两向轧制和单向轧制对不同原始状态(热轧态、水淬态和空冷态)Ti-6Al-4V合金显微组织和力学性能的影响。结果表明,热轧态Ti-6Al-4V合金的组织为片状α相+β相+少量等轴α相,水淬态Ti-6Al-4V合金形成了针状马氏体组织,空冷态Ti-6Al-4V合金形成了网状组织。Ti-6Al-4V合金适宜的两向轧制温度为700 ℃,此时合金中可见颗粒状β相弥散分布在α基体上。两向轧制Ti-6Al-4V合金的抗拉强度和屈服强度从高至低顺序为:水淬态>热轧态>空冷态,且轧向强度要高于横向;相较于单向轧制,两向轧制明显降低了Ti-6Al-4V合金板材拉伸性能的各向异性,且水淬态Ti-6Al-4V合金的轧向和横向强度差异最小,700 ℃轧制Ti-6Al-4V合金的主要细化机制为位错细化。     

Cr、V对多组元Ti-Al合金组织的影响

通过向Ti-44Al-4Nb-1Mo-0.1B合金分别添加Cr、V,研究合金化元素和热处理对合金组织的影响。结果表明,Ti-44Al-4Nb-1Mo-0.1B合金铸态组织由(α_2+γ)片层团、钼化物和B_2相构成;加入Cr或V后,形成Cr B相和Ti_(0.925)V_(0.075)相,片层组织得到细化;随着Cr或V的增多,B2相也增多,细化程度增强。热处理后Ti-44Al-4Nb-1Mo-0.1B合金为双态组织,Ti-44Al-4Nb-1Mo-0.1B-1Cr合金为全片层组织,Ti-44Al-4Nb-1Mo-0.1B-1V合金为近片层组织。Cr对α相转变温度的降低程度强于V。     

抽拉速率对Ti-48Al-6Nb合金籽晶法定向凝固组织的影响

以Ti-44Al-3Nb-2Si为籽晶,研究了不同抽拉速率对Ti-48Al-6Nb合金籽晶法定向全片层组织的影响。结果表明,6μm/s抽拉速率下,固/液界面为平界面生长,凝固组织中片层方向能够与生长方向保持一致。当抽拉速率增加到15μm/s时,固/液界面以枝晶方式生长,凝固组织中出现非择优<112軈0>取向的α相与择优取向β相共生生长组织。当抽拉速率增加到25μm/s时,α相树枝晶生长将在枝晶间析出β相,破坏定向全片层组织。用Ti-44Al-3Nb-2Si籽晶,低抽拉速率保证高温α相以平界面生长,可以实现Ti-48Al-6Nb合金的引晶。