激光增材制造Ti-6Al-4V合金的摩擦磨损性能研究

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Ti-6Al-4V(简称TC4)钛合金是一种中等强度的(α+β)型两相钛合金,具有较好的综合性能,因此在航空航天、军事装备等领域得到广泛运用。但是,钛合金耐磨性较差,在使用的磨损过程中表面易咬死、擦伤,导致大量的经济损失。因此研究钛合金的摩擦磨损性能异常重要。本文通过激光选区熔化技术成型Ti-6Al-4V钛合金试样,并通过不同热处理方案改变材料的微观组织,最后使用销盘式摩擦磨损试验机、维氏硬度计、纳米压痕仪等来探究试样的摩擦磨损性能,以求得出改善TC4钛合金低磨损性能的方法。取得的主要研究成果和结论如下:(1)as-built试样的显微组织主要是均宽为0.75μm的针状α’马氏体,且晶粒尺寸和取向高度不均匀。固溶处理后,针状α’马氏体转变为球状和板状形态的(α+β)相,α板条宽度增加到(3.63±0.41μm),纵横比(~9.1)降低,并从残留β晶粒中析出少量细次生α相。此外,温度在Tβ以下时,高固溶温度有利于促进α’相的分解,温度超过Tβ时,β相的含量急剧下降。对比得出:ST2试样(955℃/1h)α’相分解程度较大,摩擦系数降幅明显,且具有最少磨损量。磨损机理为低载以磨粒磨损,黏着磨损为主,高载以黏着和氧化磨损为主,且磨损形貌更加平缓。塑性变形区域最大,晶粒大幅度细化。另外,还发现磨损凹痕处的硬度沿凹痕底部往两边逐渐降低。综上说明,经955℃/1h固溶处理后微观组织为粗大片状α相和β相的ST2试样具有最佳的耐磨性。(2)固溶&不同时效温度试样的次生α相的数量及尺寸增加,纵横比下降。XRD检测出α’相分解为α和β相,以及析出Ti3Al(α2)颗粒。位错消失,且时效温度为500-600℃之间时能够促进Ti3Al的析出。对比可知:SAT2试样析出的二次α’相的长宽及Ti3Al颗粒的密度最大,α’相分解程度更大,且β相峰值最高。具有最低的摩擦系数及磨痕纵横尺度。磨损程度较低,破坏方式为:20N以磨粒破坏为主;50N磨粒破坏加剧,并伴有黏着和轻微氧化,100 N磨粒磨损形貌减轻,黏着及氧化加剧。试样维氏硬度大于固溶试样,其中SAT2号样塑性流动程度及硬度均最大。以上均从不同方面表明,955℃/1h固溶&565℃/8 h时效处理的SAT2号样具有最佳的耐磨损性。(3)固溶&不同时效时间试样微观组织均为网篮组织,针状α’马氏体分解为(α+β)相,在β基体内析出大量细小二次相颗粒,并且晶粒尺寸随时效时间先增大后减小。同时,α板条宽度增大0.46μm,具有先增大后减小的趋势。相比之下,SAT2试样析出的二次α’相的长宽及Ti3Al颗粒的密度最大,α’相分解程度更大,且β相峰值最高。摩擦系数随外载增大不断降低,且SAT2号样仍具有最低的摩擦系数及低变化速率的纵横尺寸。具有平缓的鱼鳞状形貌,磨损机理为:低载磨粒磨损、黏着磨损,并伴有少量氧化,高载以黏着磨损和氧化磨损为主。此外,还具有最大的晶粒细化和维氏硬度。以上从不同方面说明了,955℃/1h固溶&565℃/8 h时效处理的SAT2号样的耐磨性表现更突出。以上研究成果,揭示了固溶温度对SLM制备Ti-6Al-4V试样微观组织演变及磨损机理的影响,并对比得出具有最佳耐磨性时的固溶温度;揭示了最佳固溶温度&时效处理试样的微观组织演变及磨损机理,并对比得出此试验参数下试样的最优时效温度及时效时间,为Ti-6Al-4V合金耐磨性能的优化提供了一定的参考价值。
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