Mo添加对激光粉末床熔融Ti6Al4V合金组织性能的影响

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Ti6A14V合金具有密度低、强度高、生物相容性好的优点,在航空航天、海洋运输、生物医疗等方面有着广泛应用。然而,Ti6Al4V合金由于低热导率和加工过程中出现加工硬化,导致其成形加工困难,激光粉末床熔融(Laser powder bed fusion,L-PBF)可以制备复杂几何构件,解决Ti6Al4V合金成型难题,并且L-PBF制备的构件具有尺寸精度高、表面质量好的优点。然而,在L-PBF过程中由于熔池快速冷却,Ti6A14V合金中存在粗大初生β柱状晶和针状α’马氏体,导致Ti6A14V合金强度高塑性差,无法满足实际应用需求。调控L-PBFTi6Al4V合金中的合金元素,可以改变其独特的微观结构,降低相变温度,使合金在室温下得到β相,改善显微组织和力学性能。Mo元素是钛合金中的强β稳定元素,可以大幅度降低钛合金中马氏体相变温度。同时,Mo和β-Ti均为体心立方结构,晶格常数相近,Mo可在β-Ti中无限互溶,不会形成金属间化合物。因此,本文以Ti6Al4V合金为研究对象,采用Mo元素进行改性,系统研究了 Mo元素添加对L-PBF制备Ti6Al4V合金显微组织、室温相组成、力学性能的影响规律及机理,并探究了 Mo添加对L-PBF Ti6A14V合金的强化机制,此外,还探究了热处理对Ti6A14V-xMo合金组织性能变化规律。主要研究内容如下:(1)激光粉末床熔融Ti6A14V合金工艺参数优化。通过改变激光功率(120 W、140 W、160 W)和扫描速度(600 mm/s~1400 mm/s),设置了 27组不同的工艺参数,研究了工艺参数对合金显微组织和力学性能的影响。研究表明能量密度在50 J/mm3~60 J/mm3之间时,合金致密度都在99%以上。在最优工艺参数(P=160W、v=1100mm/s)下,合金抗拉强度超过1200 MPa,延伸率超过8%。(2)Mo添加对激光粉末床熔融Ti6A14V合金组织性能的影响。以预合金Ti6A14V粉末和Mo粉末为原料,采用机械混粉的方式,制备了不同Mo含量的混合粉末(0.5 wt.%、lwt.%、2wt.%、3 wt.%、5wt.%、7wt.%、10 wt.%、15 wt.%)。利用激光粉末床熔融制备了 Ti6A14V-xMo合金试样。根据不同Mo含量的不同,可以把Ti6A14V-xMo合金分为三个阶段:(1)当Mo含量小于3wt.%时,合金以针状α’马氏体为主,并且Mo添加可以细化初生β柱状晶和针状α’马氏体,随着Mo含量增加,合金强度增加,延伸率基本保持不变;(2)Mo含量在3wt.%~7wt.%之间时,合金由α’和β两相组成,合金在拉伸过程中发生应力诱导β→α’马氏体相变(SIMT),加工硬化能力提升,延伸率增加;(3)Mo含量超过10wt.%时,合金主要由β相组成,抗拉强度降低,延伸率增加。上述结果表明可以通过控制Mo添加量,实现对L-PBF Ti6A14V合金组织及性能调控。(3)研究了不同退火热处理温度(650℃、850℃、1050℃)对激光粉末床熔融Ti6A14V-xMo合金组织性能的影响。在较低温度下进行热处理时(650℃),α’马氏体只有部分分解,合金强度增加,随着Mo含量的增加,合金中晶粒尺寸减小,强度增加,延伸率降低;随着温度增加(850℃),α’马氏体完全分解成α+β相,合金强度降低、延伸率增加,随着Mo含量增加,强度保持不变、延伸率降低;热处理温度(1050℃)超过Tβ线后,试样内部初生β柱状晶变成等轴晶,并在冷却过程中产生粗大的α马氏体,力学性能急剧下降。
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