采用氣霧化和機(jī)械合金化等離子體球化粉末激光床熔增材高溫預(yù)熱法制備鈦金屬間化合物
時(shí)間：2022-01-25 20:12 來(lái)源：鈦金屬間化合物 作者：admin 閱讀：次
導(dǎo)讀：本文論述了用激光粉末床熔合(L-PBF)增材制造技術(shù)，在高溫平臺(tái)預(yù)熱下制備ti2alnb基合金樣品的過(guò)程。
摘要
采用激光粉末床熔合(L-PBF)增材制造技術(shù)，在高溫平臺(tái)預(yù)熱下制備ti2alnb基合金樣品。機(jī)械合金化后等離子體球化得到的Ti-22Al-22Nb-0.1Mo-0.3Hf-0.3Ta-1.5Zr-0.8Si-0.9Fe (at. %)粉和Ti-24Al-25Nb-1Zr-1.4V-0.6Mo-0.3Si (at.%)氣體霧化(GA)粉末為原料。在600℃及以上的平臺(tái)預(yù)熱溫度下制備無(wú)裂紋樣品，而較低的預(yù)熱溫度會(huì)導(dǎo)致兩種粉末產(chǎn)生裂紋。機(jī)械合金化等離子體球化(MAPS)粉末的相對(duì)密度最高為99.3%±0.1%，而氣相霧化粉末的相對(duì)密度在99.9%±0.1%以上。
x射線(xiàn)衍射、掃描電鏡、電子背散射衍射分析表明，平臺(tái)預(yù)熱溫度對(duì)合金的組織和相組成有顯著影響。用差示掃描量熱法測(cè)定了相變溫度。在相對(duì)較低的預(yù)熱溫度下，發(fā)現(xiàn)了細(xì)小的B2/β胞狀組織，而使用600℃及以上的預(yù)熱溫度進(jìn)行原位熱處理，形成金屬間化合物ti2alnb相。提高預(yù)熱溫度可以改善由MAPS粉末制備的樣品的化學(xué)均勻性。結(jié)果表明，MAPS粉末的顯微組織從完全B2/β到B + O, GA粉末的顯微組織從B2/β、B2 + O到完全O。當(dāng)預(yù)熱溫度為700℃時(shí)，顯微硬度值最高，對(duì)應(yīng)的o相體積分?jǐn)?shù)最高。預(yù)熱溫度為980°C時(shí)，試樣的抗拉強(qiáng)度最高。
1. 介紹
鈦鋁合金被認(rèn)為是最有前途的一類(lèi)材料，用于汽車(chē)和航空航天高溫應(yīng)用。早期開(kāi)發(fā)的Ti3Al和tial基合金室溫延性差，限制了其應(yīng)用。正交晶ti2alnb基(o相)合金是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種具有良好延展性的新一代鈦鋁合金。它們還以其先進(jìn)的性能組合而聞名，如低密度、高強(qiáng)度、耐腐蝕和抗蠕變，以及工作溫度高達(dá)650-700°C。Ti-22Al-25Nb (.%)合金是目前研究最廣泛的正交晶合金之一。但為了提高其蠕變強(qiáng)度和抗氧化性能，需要添加Mo、Zr、Si等多種合金元素。
采用等離子體旋轉(zhuǎn)電極工藝(PREP)制備了Ti-45Al-7Nb-0.3W粉末(≤150 μm球形粉末)。上圖顯示了粉末的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。使用自制SEBM機(jī)器。制作了各尺寸20毫米的立方體樣品。
傳統(tǒng)的ti2alnb基合金的鑄造和鍛造工藝由于涉及多個(gè)階段，成本高且難度大。它在形狀成形方面也有局限性，因?yàn)檎痪Ш辖鹩休^差的成形性和偏析傾向。粉末冶金技術(shù)，如火花等離子燒結(jié)和熱等靜壓，已被用于生產(chǎn)鈦正交晶合金。然而，復(fù)雜幾何形狀零件的制造成本高且有限，機(jī)械性能有待提高。
傳統(tǒng)的焊接技術(shù)已成功地應(yīng)用于鈦鋁合金的電子束或激光焊接，但金屬間化合物合金的熔焊連接仍具有挑戰(zhàn)性。tial基合金在焊接后出現(xiàn)了嚴(yán)重的冷裂紋。指出通過(guò)控制冷卻速度和焊后熱處理可以減輕裂紋。電子束焊接是連接鈦鋁合金的首選方法，但由于合金易發(fā)生冷裂，因此需要仔細(xì)控制焊接參數(shù)。
金屬間化合物，也稱(chēng)為金屬間合金，是由兩種或三種金屬或金屬和非金屬的原子組成的固相，它們的晶體結(jié)構(gòu)不同于那些組成元素。金屬間化合物早在公元前2500年就為人類(lèi)所知。埃及人和安納托利亞人用銅和As的金屬間化合物作為涂層來(lái)加強(qiáng)金屬工具 (見(jiàn)上圖)。在20世紀(jì)50年代和60年代，金屬間化合物的結(jié)構(gòu)和性能被廣泛研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了許多有吸引力的性能。近年來(lái)，Cr供應(yīng)的戰(zhàn)略性質(zhì)引起了人們對(duì)金屬間化合物作為含Cr合金替代品的興趣。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，全球范圍內(nèi)的研究對(duì)我們對(duì)金屬間化合物及其合金的組織和性能的基本認(rèn)識(shí)作出了廣泛的貢獻(xiàn)。
增材制造技術(shù)已廣泛應(yīng)用于制造幾何復(fù)雜性高、功能性能強(qiáng)的金屬零件。激光粉末床熔合(L-PBF)，也被稱(chēng)為選擇性激光熔化(SLM)，由于其能夠生產(chǎn)高質(zhì)量的幾何形狀復(fù)雜的金屬部件，受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。它利用聚焦激光束，根據(jù)cad數(shù)據(jù)分層選擇性地熔合金屬粉末。
另一種AM工藝——選擇性電子束熔煉(SEBM)已被用于制備鈦鋁基金屬間化合物。它使用電子束預(yù)熱粉末床至1000°C以上的能力已被證明是可行的，以生產(chǎn)無(wú)裂紋的γ-鋁化物零件。目前關(guān)于鋁鈦化合物的L-PBF的研究還很有限。由于鋁鈦化物易開(kāi)裂，在AM過(guò)程中需要進(jìn)行高溫預(yù)熱，以減小熱梯度，抑制裂紋的形成。
本文表明，生產(chǎn)無(wú)裂紋的tial基合金需要800°C的平臺(tái)預(yù)熱。在之前的研究中曾使用元素粉末“原位”制備Ti-22Al-25Nb合金。然而，該方法存在著微觀結(jié)構(gòu)不均勻性和機(jī)械性能差的局限性。研究中，采用氣霧化Ti-22Al-25Nb粉末，在200°C平臺(tái)預(yù)熱下，采用L-PBF法制備Ti-22Al-25Nb塊體樣品。雖然報(bào)告了良好的室溫拉伸性能，但可以假設(shè)少量的o相將導(dǎo)致較差的高溫性能。因此，需要對(duì)復(fù)雜合金ti2alnb基合金的L-PBF過(guò)程進(jìn)行更詳細(xì)的研究，以確定在原位熱處理過(guò)程中促進(jìn)金屬間相的形成并獲得較高的機(jī)械性能的工藝參數(shù)。
與此同時(shí)，化學(xué)成分復(fù)雜、性能適宜于AM應(yīng)用的鋁化鈦球形粉末的商業(yè)可行性有限。通常采用氣體或等離子體霧化方法制備AM的粉末。機(jī)械合金化(MA)和等離子體球化(PS)工藝可以作為制備成分均勻、成本降低的球形粉末的替代方法。將不規(guī)則形狀的機(jī)械合金粉末放入高溫等離子體射流中，使顆粒快速熔化和凝固。PS過(guò)程中，熔化的顆粒在表面張力作用下凝固成球形顆粒。到目前為止，機(jī)械合金化等離子體球化(MAPS)粉末在AM中的應(yīng)用還很局限，尚未應(yīng)用于鈦鋁合金。
本文研究了采用氣體霧化(GA)和MAPS粉末在高溫平臺(tái)上進(jìn)行預(yù)熱的L-PBF工藝。采用Ti-22Al-22Nb-0.1Mo-0.3Hf-0.3Ta-1.5Zr-0.8Si-0.9Fe(at. %) MAPS 和Ti-24Al-25Nb-1Zr-1.4V-0.6Mo-0.3Si (at. %) GA球形粉末，研究了不同平臺(tái)預(yù)熱溫度下L-PBF工藝參數(shù)對(duì)樣品相對(duì)密度的影響。在L-PBF工藝中實(shí)現(xiàn)了原位熱處理，促進(jìn)了o相的形成。研究了200℃~ 980℃的預(yù)熱溫度對(duì)MAPS和GA粉末的形貌和o相數(shù)量的影響。通過(guò)拉伸試驗(yàn)和顯微硬度測(cè)量來(lái)評(píng)估合金在不同條件下的機(jī)械行為。
2. 實(shí)驗(yàn)程序
2．1． 材料
采用電極感應(yīng)氣體霧化(EIGA)制備的Ti-24Al-25Nb-1Zr-1.4V-0.6Mo-0.3Si (at. %) 合金GA粉，并由AMCpowder提供。粉體的粒徑范圍為14 ~ 52 μm，平均粒徑d50 = 29 μm。
采用MA和PS工藝制備正交晶合金粉末。在不銹鋼研磨介質(zhì)的行星磨機(jī)上進(jìn)行了初步實(shí)驗(yàn)。將Ti、Al、Nb、Mo、Zr、Si、Hf、Ta(純度為99.9%)的混合元素粉末混合，得到Ti- 22al - 25nb -0.3Mo-0.2Hf-0.4Ta- 1zr -0.3Si (at.%)。采用美國(guó)UnionProcess公司生產(chǎn)的SD5實(shí)驗(yàn)室磨粉機(jī)進(jìn)行了粉末磨粉試驗(yàn)。將初始元素粉末混合成合金成分，在270 rpm轉(zhuǎn)速和20:1球粉質(zhì)量比的氬氣氣氛下，使用不銹鋼研磨介質(zhì)研磨12 h。經(jīng)MA處理后，用TEK-15體系(Tekna, Canada)對(duì)粉末進(jìn)行PS處理。采用氬氦氣作為等離子體形成氣體。噴粉速度為15 g/min，等離子體炬功率為15 kW。合成的MAPS粉末組成為:Ti-16Al-22Nb-0.1Mo-0.3Hf-0.3Ta-1.5Zr-0.8Si-0.9Fe (at.%)，表明Al在PS后由于蒸發(fā)而部分丟失。應(yīng)用于L-PBF工藝的MAPS粉的粒徑范圍為24 ~ 98 μm，平均粒徑d50 = 63 μm。
PS后粉末顆粒中元素分布的EDS圖如上圖所示。可以看出，PS處理后的化學(xué)均勻性明顯優(yōu)于MA處理后的初始粉末。PS處理后，合金元素在顆粒中均勻分布。
2．2. 激光料層融合
樣品采用AconityMIDI (Aconity3D GmbH, Germany) L-PBF系統(tǒng)制備。該系統(tǒng)配備了波長(zhǎng)為1070 nm、最大功率為1000 W的光纖激光器。激光束直徑設(shè)定為80 μm左右。制作了直徑為10mm、高度為10mm的圓柱形試樣和邊長(zhǎng)為10mm的立方試樣，用于參數(shù)優(yōu)化和微觀結(jié)構(gòu)研究(圖1(a, b))。樣品是在ti - 6al - 4v基體上，鉬基平臺(tái)上制備的。鉬平臺(tái)感應(yīng)預(yù)熱至設(shè)定溫度，并由平臺(tái)下的熱電偶連續(xù)控制溫度。在L-PBF工藝開(kāi)始之前，鈦基板被導(dǎo)電加熱到設(shè)定的溫度。工藝室不斷充滿(mǎn)高純氬氣，以使室中的氧氣含量低于20ppm。構(gòu)建過(guò)程結(jié)束后，將平臺(tái)和樣品以大約5°C/min的冷卻速率冷卻至室溫。
將體積能量密度(VED)(公式(1))作為一個(gè)變量來(lái)研究L-PBF工藝參數(shù)對(duì)相對(duì)密度的影響。MAPS粉的ve范圍為55 ~ 78 J/mm3, GA粉的ve范圍為34 ~ 78 J/mm3。MAPS粉的平臺(tái)預(yù)熱溫度(TPH)為200 ~ 900°C, GA粉的平臺(tái)預(yù)熱溫度為200~ 980°C。激光功率(P)，掃描速度(S)，孵化距離(HD)和層厚(L)的值用于制備從MAPS和GA粉末樣品在補(bǔ)充材料中給出。L-PBF過(guò)程采用5 ×5 mm2正方形棋盤(pán)掃描模式，旋轉(zhuǎn)角度為67°C。
拉伸試驗(yàn)貼片長(zhǎng)度為36 mm，規(guī)格長(zhǎng)度為5 mm，寬度為6 mm(圖1(c, d))，在給定TPH條件下，該貼片的相對(duì)密度為最高。僅用GA粉制備拉伸片，以評(píng)價(jià)TPH對(duì)材料強(qiáng)度的影響。每個(gè)點(diǎn)測(cè)試三個(gè)樣本。
2．3. 描述
將制備好的樣品沿構(gòu)建方向(BD)切割拋光，進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)表征。采用后向散射電子(BSE)模式的Mira 3 LMU(TESCAN)掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。用能譜儀(EDS)對(duì)樣品進(jìn)行了局部化學(xué)分析。在TESCAN Mira 3 LMU掃描電鏡上進(jìn)行電子背散射衍射(EBSD)，步長(zhǎng)為0.5 μm，分析物相特征。
用Bruker D8 Advance x射線(xiàn)衍射儀(XRD) (Bruker, Germany)， Cu-Kα (λ =1.5418 Å)輻照，分析了粉末和制備樣品的相組成。
相對(duì)密度是用標(biāo)準(zhǔn)金相技術(shù)測(cè)量的，包括用光學(xué)顯微鏡(OM) Leica DMI5000(Leica, Germany)在50倍放大率下取拋光樣品的至少5個(gè)不同位置。然后使用ImageJ軟件將OM圖像從大塊材料中分離出孔隙。定義為塊狀材料的圖像的計(jì)算分?jǐn)?shù)作為相對(duì)密度值。同樣的原理被用于評(píng)價(jià)樣品中o相沉淀的體積分?jǐn)?shù)和厚度。
使用美國(guó)通用電氣公司的Phoenix Vtomex計(jì)算機(jī)斷層掃描系統(tǒng)對(duì)體素尺寸為10 μm的樣品進(jìn)行x射線(xiàn)顯微斷層掃描分析(CT)。使用Avizo軟件將ct數(shù)據(jù)可視化，并評(píng)估樣品的孔隙度。
用惰性氣體熔化紅外法和LECO TC-500分析儀(LECO，美國(guó))測(cè)量氧含量。
DSC采用德國(guó)Netzch (STA409)分析儀，升溫速率為10°C/min，最高溫度為1400°C。采用90% Ar +10% H2 (vol.)氣體對(duì)試樣進(jìn)行氧化保護(hù)。
采用比勒VH1150型硬度試驗(yàn)機(jī)，在500 g載荷下，靜置時(shí)間為10 s。在每個(gè)樣本的隨機(jī)位置至少進(jìn)行5次測(cè)量。
拉伸試驗(yàn)采用通用試驗(yàn)機(jī)(Zwick/Roell Z100，德國(guó))，拉伸應(yīng)變?yōu)?.3 mm/min。在之前的測(cè)試中，拉伸片通過(guò)垂直于BD的電火花加工切割，以達(dá)到2毫米的厚度。拉伸方向垂直于BD，每個(gè)點(diǎn)用三個(gè)拉伸片來(lái)計(jì)算平均值。
部分試樣在拉伸試驗(yàn)前進(jìn)行熱處理，在950°C真空退火2 h，然后在爐內(nèi)冷卻。
3.結(jié)果
3．1. 粉末特征
激光衍射法測(cè)定的GA粉粒度分布為:d10 = 14.6 μm, d50 =29.3 μm, d90 = 52.3 μm。顆粒呈球形和樹(shù)枝狀表面形貌(圖2(a))。GA顆粒截面(圖2(b))顯示了Ti和Al微偏析的等軸枝晶組織，與Ti- 22al - 25nb GA粉末[25]中的結(jié)果相似。從圖2(c)的XRD數(shù)據(jù)可以看出，GA粉的相組成為β/B2相，該相具有體心立方(BCC)晶格。這與Ti-22Al-25Nb GA粉末的結(jié)果一致。GA工藝典型的高冷卻速率使粉末中的β/B2相保持不變，而bcc相以外的第二相不會(huì)析出。
MAPS粉的粒徑分布為:d10 = 24.0 μm, d50 =63.3 μm, d90 = 98.5 μm。與GA粉末相似，MA和PS法制備的粉末表面呈現(xiàn)樹(shù)枝狀形貌(圖3(a))，截面呈現(xiàn)樹(shù)枝狀微觀結(jié)構(gòu)(圖3(b))。一些MAPS顆粒的特征是存在內(nèi)部孔隙和富鈮區(qū)(圖3(c))。化學(xué)不均勻性表明Nb在MA和PS過(guò)程中沒(méi)有完全溶解，可能導(dǎo)致L-PBF過(guò)程后的化學(xué)不均勻性。XRD結(jié)果(圖3(d))表明，MAPS粉末由β/B2相和BCC晶格組成，與GA粉末相似。PS過(guò)程的特點(diǎn)是快速熔化和高冷卻速率，從而保留了β/B2相。
MAPS粉的氧含量為0.720 wt.%， GA粉的氧含量為0.137wt.%。
隨著Fe和O的污染，Al的損失約為6 at. %，以及一些顆粒中存在未溶解的Nb，表明需要進(jìn)一步優(yōu)化MA和PS工藝，以獲得更均勻的化學(xué)分布和適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)組成。
３．２． L-PBF工藝參數(shù)對(duì)相對(duì)密度的影響
圖4顯示了L-PBF工藝參數(shù)對(duì)使用MAPS(圖4(a))和GA(圖4(b))粉末制備樣品的相對(duì)密度的影響。兩種粉末,使用TPH energy = 200°C導(dǎo)致嚴(yán)重開(kāi)裂的樣品。裂縫大多是水平(圖5 (a, b)),形成了由于熱應(yīng)力高表明TPH energy = 200°C并不足以減少熱梯度L-PBF過(guò)程中。裂紋在試樣的整個(gè)高度(圖5(d))都存在，在某一特定區(qū)域沒(méi)有濃度。在TPH = 200°C的情況下，我們?cè)u(píng)估了來(lái)自MAPS粉末的開(kāi)裂樣品的相對(duì)密度，而不考慮裂紋到孔隙的比例，結(jié)果如圖4(a)所示。將TPH提高到600℃，可以獲得無(wú)裂紋的樣品(圖5(C, e))。
在77.8 J/mm3VED和TPH = 700℃時(shí)，MAPS樣品的最高相對(duì)密度為99.3±0.1%。當(dāng)TPH值增加到900℃時(shí)，相對(duì)密度降低，因?yàn)橄鄬?duì)尺寸較大的球形氣孔數(shù)量較多，說(shuō)明TPH = 900℃導(dǎo)致熔體池過(guò)熱。使用GA粉導(dǎo)致總體相對(duì)密度更高(圖4(b))。大部分樣品的相對(duì)密度在99%以上。在TPH = 600和700℃下，分別在45.8和54.9 J/mm3 VED時(shí)獲得了99.9%以上的相對(duì)密度。當(dāng)預(yù)熱溫度升高到980°C時(shí)，試樣的整體相對(duì)密度降低，可以認(rèn)為是熔體池過(guò)熱的結(jié)果。從上述結(jié)果中得到的工藝圖如圖4(c, d)所示。對(duì)于MAPS粉，在TPH = 700°c時(shí)，兩組L-PBF參數(shù)組對(duì)應(yīng)的相對(duì)密度> 99%。對(duì)于GA粉，三個(gè)參數(shù)集允許實(shí)現(xiàn)相對(duì)密度> 99.9%。
在TPH = 700°C條件下制備的相對(duì)密度≥99%的MAPS和GA粉末樣品進(jìn)行ct研究。用于制備這些樣品的VED分別為77.8 J/mm3和45.8 J/mm3。根據(jù)ct結(jié)果(圖6)，兩種樣品的孔隙度均低于0.05%，分辨率約為10 μm。MAPS粉樣品的平均孔徑為30 μm, GA粉樣品的平均孔徑為25 μm。兩種情況下孔隙均以球形為主，說(shuō)明這些孔隙是圈閉氣體形成的。氣體孔隙可能來(lái)自不同的來(lái)源，如封閉的保護(hù)氣體、熔融汽化或粉末顆粒內(nèi)部的孔隙。
摘要
采用激光粉末床熔合(L-PBF)增材制造技術(shù)，在高溫平臺(tái)預(yù)熱下制備ti2alnb基合金樣品。機(jī)械合金化后等離子體球化得到的Ti-22Al-22Nb-0.1Mo-0.3Hf-0.3Ta-1.5Zr-0.8Si-0.9Fe (at. %)粉和Ti-24Al-25Nb-1Zr-1.4V-0.6Mo-0.3Si (at.%)氣體霧化(GA)粉末為原料。在600℃及以上的平臺(tái)預(yù)熱溫度下制備無(wú)裂紋樣品，而較低的預(yù)熱溫度會(huì)導(dǎo)致兩種粉末產(chǎn)生裂紋。機(jī)械合金化等離子體球化(MAPS)粉末的相對(duì)密度最高為99.3%±0.1%，而氣相霧化粉末的相對(duì)密度在99.9%±0.1%以上。
x射線(xiàn)衍射、掃描電鏡、電子背散射衍射分析表明，平臺(tái)預(yù)熱溫度對(duì)合金的組織和相組成有顯著影響。用差示掃描量熱法測(cè)定了相變溫度。在相對(duì)較低的預(yù)熱溫度下，發(fā)現(xiàn)了細(xì)小的B2/β胞狀組織，而使用600℃及以上的預(yù)熱溫度進(jìn)行原位熱處理，形成金屬間化合物ti2alnb相。提高預(yù)熱溫度可以改善由MAPS粉末制備的樣品的化學(xué)均勻性。結(jié)果表明，MAPS粉末的顯微組織從完全B2/β到B + O, GA粉末的顯微組織從B2/β、B2 + O到完全O。當(dāng)預(yù)熱溫度為700℃時(shí)，顯微硬度值最高，對(duì)應(yīng)的o相體積分?jǐn)?shù)最高。預(yù)熱溫度為980°C時(shí)，試樣的抗拉強(qiáng)度最高。
鈦鋁合金被認(rèn)為是最有前途的一類(lèi)材料，用于汽車(chē)和航空航天高溫應(yīng)用。早期開(kāi)發(fā)的Ti3Al和tial基合金室溫延性差，限制了其應(yīng)用。正交晶ti2alnb基(o相)合金是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種具有良好延展性的新一代鈦鋁合金。它們還以其先進(jìn)的性能組合而聞名，如低密度、高強(qiáng)度、耐腐蝕和抗蠕變，以及工作溫度高達(dá)650-700°C。Ti-22Al-25Nb (.%)合金是目前研究最廣泛的正交晶合金之一。但為了提高其蠕變強(qiáng)度和抗氧化性能，需要添加Mo、Zr、Si等多種合金元素。
采用等離子體旋轉(zhuǎn)電極法(PREP)制備Ti-45Al-7Nb-0.3W粉末。
采用等離子體旋轉(zhuǎn)電極工藝(PREP)制備了Ti-45Al-7Nb-0.3W粉末(≤150 μm球形粉末)。上圖顯示了粉末的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。使用自制SEBM機(jī)器。制作了各尺寸20毫米的立方體樣品。
傳統(tǒng)的ti2alnb基合金的鑄造和鍛造工藝由于涉及多個(gè)階段，成本高且難度大。它在形狀成形方面也有局限性，因?yàn)檎痪Ш辖鹩休^差的成形性和偏析傾向。粉末冶金技術(shù)，如火花等離子燒結(jié)和熱等靜壓，已被用于生產(chǎn)鈦正交晶合金。然而，復(fù)雜幾何形狀零件的制造成本高且有限，機(jī)械性能有待提高。
傳統(tǒng)的焊接技術(shù)已成功地應(yīng)用于鈦鋁合金的電子束或激光焊接，但金屬間化合物合金的熔焊連接仍具有挑戰(zhàn)性。tial基合金在焊接后出現(xiàn)了嚴(yán)重的冷裂紋。指出通過(guò)控制冷卻速度和焊后熱處理可以減輕裂紋。電子束焊接是連接鈦鋁合金的首選方法，但由于合金易發(fā)生冷裂，因此需要仔細(xì)控制焊接參數(shù)。
古埃及人使用銅和As涂層的金屬工具
金屬間化合物，也稱(chēng)為金屬間合金，是由兩種或三種金屬或金屬和非金屬的原子組成的固相，它們的晶體結(jié)構(gòu)不同于那些組成元素。金屬間化合物早在公元前2500年就為人類(lèi)所知。埃及人和安納托利亞人用銅和As的金屬間化合物作為涂層來(lái)加強(qiáng)金屬工具 (見(jiàn)上圖)。在20世紀(jì)50年代和60年代，金屬間化合物的結(jié)構(gòu)和性能被廣泛研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了許多有吸引力的性能。近年來(lái)，Cr供應(yīng)的戰(zhàn)略性質(zhì)引起了人們對(duì)金屬間化合物作為含Cr合金替代品的興趣。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，全球范圍內(nèi)的研究對(duì)我們對(duì)金屬間化合物及其合金的組織和性能的基本認(rèn)識(shí)作出了廣泛的貢獻(xiàn)。
增材制造技術(shù)已廣泛應(yīng)用于制造幾何復(fù)雜性高、功能性能強(qiáng)的金屬零件。激光粉末床熔合(L-PBF)，也被稱(chēng)為選擇性激光熔化(SLM)，由于其能夠生產(chǎn)高質(zhì)量的幾何形狀復(fù)雜的金屬部件，受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。它利用聚焦激光束，根據(jù)cad數(shù)據(jù)分層選擇性地熔合金屬粉末。
另一種AM工藝——選擇性電子束熔煉(SEBM)已被用于制備鈦鋁基金屬間化合物。它使用電子束預(yù)熱粉末床至1000°C以上的能力已被證明是可行的，以生產(chǎn)無(wú)裂紋的γ-鋁化物零件。目前關(guān)于鋁鈦化合物的L-PBF的研究還很有限。由于鋁鈦化物易開(kāi)裂，在AM過(guò)程中需要進(jìn)行高溫預(yù)熱，以減小熱梯度，抑制裂紋的形成。
本文表明，生產(chǎn)無(wú)裂紋的tial基合金需要800°C的平臺(tái)預(yù)熱。在之前的研究中曾使用元素粉末“原位”制備Ti-22Al-25Nb合金。然而，該方法存在著微觀結(jié)構(gòu)不均勻性和機(jī)械性能差的局限性。研究中，采用氣霧化Ti-22Al-25Nb粉末，在200°C平臺(tái)預(yù)熱下，采用L-PBF法制備Ti-22Al-25Nb塊體樣品。雖然報(bào)告了良好的室溫拉伸性能，但可以假設(shè)少量的o相將導(dǎo)致較差的高溫性能。因此，需要對(duì)復(fù)雜合金ti2alnb基合金的L-PBF過(guò)程進(jìn)行更詳細(xì)的研究，以確定在原位熱處理過(guò)程中促進(jìn)金屬間相的形成并獲得較高的機(jī)械性能的工藝參數(shù)。
與此同時(shí)，化學(xué)成分復(fù)雜、性能適宜于AM應(yīng)用的鋁化鈦球形粉末的商業(yè)可行性有限。通常采用氣體或等離子體霧化方法制備AM的粉末。機(jī)械合金化(MA)和等離子體球化(PS)工藝可以作為制備成分均勻、成本降低的球形粉末的替代方法。將不規(guī)則形狀的機(jī)械合金粉末放入高溫等離子體射流中，使顆粒快速熔化和凝固。PS過(guò)程中，熔化的顆粒在表面張力作用下凝固成球形顆粒。到目前為止，機(jī)械合金化等離子體球化(MAPS)粉末在AM中的應(yīng)用還很局限，尚未應(yīng)用于鈦鋁合金。
本文研究了采用氣體霧化(GA)和MAPS粉末在高溫平臺(tái)上進(jìn)行預(yù)熱的L-PBF工藝。采用Ti-22Al-22Nb-0.1Mo-0.3Hf-0.3Ta-1.5Zr-0.8Si-0.9Fe(at. %) MAPS 和Ti-24Al-25Nb-1Zr-1.4V-0.6Mo-0.3Si (at. %) GA球形粉末，研究了不同平臺(tái)預(yù)熱溫度下L-PBF工藝參數(shù)對(duì)樣品相對(duì)密度的影響。在L-PBF工藝中實(shí)現(xiàn)了原位熱處理，促進(jìn)了o相的形成。研究了200℃~ 980℃的預(yù)熱溫度對(duì)MAPS和GA粉末的形貌和o相數(shù)量的影響。通過(guò)拉伸試驗(yàn)和顯微硬度測(cè)量來(lái)評(píng)估合金在不同條件下的機(jī)械行為。
2. 實(shí)驗(yàn)程序
2．1． 材料
采用電極感應(yīng)氣體霧化(EIGA)制備的Ti-24Al-25Nb-1Zr-1.4V-0.6Mo-0.3Si (at. %) 合金GA粉，并由AMCpowder提供。粉體的粒徑范圍為14 ~ 52 μm，平均粒徑d50 = 29 μm。
采用MA和PS工藝制備正交晶合金粉末。在不銹鋼研磨介質(zhì)的行星磨機(jī)上進(jìn)行了初步實(shí)驗(yàn)。將Ti、Al、Nb、Mo、Zr、Si、Hf、Ta(純度為99.9%)的混合元素粉末混合，得到Ti- 22al - 25nb -0.3Mo-0.2Hf-0.4Ta- 1zr -0.3Si (at.%)。采用美國(guó)UnionProcess公司生產(chǎn)的SD5實(shí)驗(yàn)室磨粉機(jī)進(jìn)行了粉末磨粉試驗(yàn)。將初始元素粉末混合成合金成分，在270 rpm轉(zhuǎn)速和20:1球粉質(zhì)量比的氬氣氣氛下，使用不銹鋼研磨介質(zhì)研磨12 h。經(jīng)MA處理后，用TEK-15體系(Tekna, Canada)對(duì)粉末進(jìn)行PS處理。采用氬氦氣作為等離子體形成氣體。噴粉速度為15 g/min，等離子體炬功率為15 kW。合成的MAPS粉末組成為:Ti-16Al-22Nb-0.1Mo-0.3Hf-0.3Ta-1.5Zr-0.8Si-0.9Fe (at.%)，表明Al在PS后由于蒸發(fā)而部分丟失。應(yīng)用于L-PBF工藝的MAPS粉的粒徑范圍為24 ~ 98 μm，平均粒徑d50 = 63 μm。
粉末經(jīng)過(guò)PS和元素分布后的顆粒拋光截面的BSE-SEM圖像。
PS后粉末顆粒中元素分布的EDS圖如上圖所示。可以看出，PS處理后的化學(xué)均勻性明顯優(yōu)于MA處理后的初始粉末。PS處理后，合金元素在顆粒中均勻分布。
2．2. 激光料層融合
樣品采用AconityMIDI (Aconity3D GmbH, Germany) L-PBF系統(tǒng)制備。該系統(tǒng)配備了波長(zhǎng)為1070 nm、最大功率為1000 W的光纖激光器。激光束直徑設(shè)定為80 μm左右。制作了直徑為10mm、高度為10mm的圓柱形試樣和邊長(zhǎng)為10mm的立方試樣，用于參數(shù)優(yōu)化和微觀結(jié)構(gòu)研究(圖1(a, b))。樣品是在ti - 6al - 4v基體上，鉬基平臺(tái)上制備的。鉬平臺(tái)感應(yīng)預(yù)熱至設(shè)定溫度，并由平臺(tái)下的熱電偶連續(xù)控制溫度。在L-PBF工藝開(kāi)始之前，鈦基板被導(dǎo)電加熱到設(shè)定的溫度。工藝室不斷充滿(mǎn)高純氬氣，以使室中的氧氣含量低于20ppm。構(gòu)建過(guò)程結(jié)束后，將平臺(tái)和樣品以大約5°C/min的冷卻速率冷卻至室溫。
圖1 在TPH = 200°C時(shí)，L-PBF制備的GA粉表面出現(xiàn)水平裂紋，而在TPH = 700°C時(shí)制備的MAPS粉表面出現(xiàn)水平裂紋;(c)拉伸貼片尺寸(毫米)及(d)預(yù)制預(yù)制件的照片。
將體積能量密度(VED)(公式(1))作為一個(gè)變量來(lái)研究L-PBF工藝參數(shù)對(duì)相對(duì)密度的影響。MAPS粉的ve范圍為55 ~ 78 J/mm3, GA粉的ve范圍為34 ~ 78 J/mm3。MAPS粉的平臺(tái)預(yù)熱溫度(TPH)為200 ~ 900°C, GA粉的平臺(tái)預(yù)熱溫度為200~ 980°C。激光功率(P)，掃描速度(S)，孵化距離(HD)和層厚(L)的值用于制備從MAPS和GA粉末樣品在補(bǔ)充材料中給出。L-PBF過(guò)程采用5 ×5 mm2正方形棋盤(pán)掃描模式，旋轉(zhuǎn)角度為67°C。
拉伸試驗(yàn)貼片長(zhǎng)度為36 mm，規(guī)格長(zhǎng)度為5 mm，寬度為6 mm(圖1(c, d))，在給定TPH條件下，該貼片的相對(duì)密度為最高。僅用GA粉制備拉伸片，以評(píng)價(jià)TPH對(duì)材料強(qiáng)度的影響。每個(gè)點(diǎn)測(cè)試三個(gè)樣本。
2．3. 描述
將制備好的樣品沿構(gòu)建方向(BD)切割拋光，進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)表征。采用后向散射電子(BSE)模式的Mira 3 LMU(TESCAN)掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。用能譜儀(EDS)對(duì)樣品進(jìn)行了局部化學(xué)分析。在TESCAN Mira 3 LMU掃描電鏡上進(jìn)行電子背散射衍射(EBSD)，步長(zhǎng)為0.5 μm，分析物相特征。
用Bruker D8 Advance x射線(xiàn)衍射儀(XRD) (Bruker, Germany)， Cu-Kα (λ =1.5418 Å)輻照，分析了粉末和制備樣品的相組成。
相對(duì)密度是用標(biāo)準(zhǔn)金相技術(shù)測(cè)量的，包括用光學(xué)顯微鏡(OM) Leica DMI5000(Leica, Germany)在50倍放大率下取拋光樣品的至少5個(gè)不同位置。然后使用ImageJ軟件將OM圖像從大塊材料中分離出孔隙。定義為塊狀材料的圖像的計(jì)算分?jǐn)?shù)作為相對(duì)密度值。同樣的原理被用于評(píng)價(jià)樣品中o相沉淀的體積分?jǐn)?shù)和厚度。
使用美國(guó)通用電氣公司的Phoenix Vtomex計(jì)算機(jī)斷層掃描系統(tǒng)對(duì)體素尺寸為10 μm的樣品進(jìn)行x射線(xiàn)顯微斷層掃描分析(CT)。使用Avizo軟件將ct數(shù)據(jù)可視化，并評(píng)估樣品的孔隙度。
用惰性氣體熔化紅外法和LECO TC-500分析儀(LECO，美國(guó))測(cè)量氧含量。
DSC采用德國(guó)Netzch (STA409)分析儀，升溫速率為10°C/min，最高溫度為1400°C。采用90% Ar +10% H2 (vol.)氣體對(duì)試樣進(jìn)行氧化保護(hù)。
采用比勒VH1150型硬度試驗(yàn)機(jī)，在500 g載荷下，靜置時(shí)間為10 s。在每個(gè)樣本的隨機(jī)位置至少進(jìn)行5次測(cè)量。
拉伸試驗(yàn)采用通用試驗(yàn)機(jī)(Zwick/Roell Z100，德國(guó))，拉伸應(yīng)變?yōu)?.3 mm/min。在之前的測(cè)試中，拉伸片通過(guò)垂直于BD的電火花加工切割，以達(dá)到2毫米的厚度。拉伸方向垂直于BD，每個(gè)點(diǎn)用三個(gè)拉伸片來(lái)計(jì)算平均值。
部分試樣在拉伸試驗(yàn)前進(jìn)行熱處理，在950°C真空退火2 h，然后在爐內(nèi)冷卻。
3.結(jié)果
3．1. 粉末特征
激光衍射法測(cè)定的GA粉粒度分布為:d10 = 14.6 μm, d50 =29.3 μm, d90 = 52.3 μm。顆粒呈球形和樹(shù)枝狀表面形貌(圖2(a))。GA顆粒截面(圖2(b))顯示了Ti和Al微偏析的等軸枝晶組織，與Ti- 22al - 25nb GA粉末[25]中的結(jié)果相似。從圖2(c)的XRD數(shù)據(jù)可以看出，GA粉的相組成為β/B2相，該相具有體心立方(BCC)晶格。這與Ti-22Al-25Nb GA粉末的結(jié)果一致。GA工藝典型的高冷卻速率使粉末中的β/B2相保持不變，而bcc相以外的第二相不會(huì)析出。
圖2 Ti-24Al-25Nb-1Zr-1.4V-0.6Mo-0.3Si (at.%) GA粉:(a)表面形貌和(b)具有樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)的顆粒截面。粉末的XRD圖(c)顯示了β/B2固溶相峰。
MAPS粉的粒徑分布為:d10 = 24.0 μm, d50 =63.3 μm, d90 = 98.5 μm。與GA粉末相似，MA和PS法制備的粉末表面呈現(xiàn)樹(shù)枝狀形貌(圖3(a))，截面呈現(xiàn)樹(shù)枝狀微觀結(jié)構(gòu)(圖3(b))。一些MAPS顆粒的特征是存在內(nèi)部孔隙和富鈮區(qū)(圖3(c))。化學(xué)不均勻性表明Nb在MA和PS過(guò)程中沒(méi)有完全溶解，可能導(dǎo)致L-PBF過(guò)程后的化學(xué)不均勻性。XRD結(jié)果(圖3(d))表明，MAPS粉末由β/B2相和BCC晶格組成，與GA粉末相似。PS過(guò)程的特點(diǎn)是快速熔化和高冷卻速率，從而保留了β/B2相。
圖3 Ti-16Al-22Nb-0.1Mo-0.3Hf-0.3Ta-1.5Zr-0.8Si-0.9Fe (at.%) MAPS粉末:(a)表面形貌，(b)具有樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)的顆粒截面，(c)具有內(nèi)部缺陷的顆粒截面。粉末的XRD圖(d)顯示β/B2固溶相峰。
MAPS粉的氧含量為0.720 wt.%， GA粉的氧含量為0.137wt.%。
隨著Fe和O的污染，Al的損失約為6 at. %，以及一些顆粒中存在未溶解的Nb，表明需要進(jìn)一步優(yōu)化MA和PS工藝，以獲得更均勻的化學(xué)分布和適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)組成。
３．２． L-PBF工藝參數(shù)對(duì)相對(duì)密度的影響
圖4顯示了L-PBF工藝參數(shù)對(duì)使用MAPS(圖4(a))和GA(圖4(b))粉末制備樣品的相對(duì)密度的影響。兩種粉末,使用TPH energy = 200°C導(dǎo)致嚴(yán)重開(kāi)裂的樣品。裂縫大多是水平(圖5 (a, b)),形成了由于熱應(yīng)力高表明TPH energy = 200°C并不足以減少熱梯度L-PBF過(guò)程中。裂紋在試樣的整個(gè)高度(圖5(d))都存在，在某一特定區(qū)域沒(méi)有濃度。在TPH = 200°C的情況下，我們?cè)u(píng)估了來(lái)自MAPS粉末的開(kāi)裂樣品的相對(duì)密度，而不考慮裂紋到孔隙的比例，結(jié)果如圖4(a)所示。將TPH提高到600℃，可以獲得無(wú)裂紋的樣品(圖5(C, e))。
圖4 L-PBF工藝參數(shù)對(duì)(a) MAPS和(b) GA粉末制備樣品相對(duì)密度的影響，以及(c) MAPS和(d) GA粉末制備樣品平臺(tái)預(yù)熱溫度和體積能量密度的工藝圖。
圖5 由GA粉末制備的樣品的截面顯示，在(a) TPH = 200°C， (b) TPH =
500°C時(shí)表面出現(xiàn)裂紋，而在(C) TPH = 600°C時(shí)表面無(wú)裂紋。在(d) TPH = 200°C和(e) TPH =
600°C時(shí)生產(chǎn)的立方體樣品的照片。
在77.8 J/mm3VED和TPH = 700℃時(shí)，MAPS樣品的最高相對(duì)密度為99.3±0.1%。當(dāng)TPH值增加到900℃時(shí)，相對(duì)密度降低，因?yàn)橄鄬?duì)尺寸較大的球形氣孔數(shù)量較多，說(shuō)明TPH = 900℃導(dǎo)致熔體池過(guò)熱。使用GA粉導(dǎo)致總體相對(duì)密度更高(圖4(b))。大部分樣品的相對(duì)密度在99%以上。在TPH = 600和700℃下，分別在45.8和54.9 J/mm3 VED時(shí)獲得了99.9%以上的相對(duì)密度。當(dāng)預(yù)熱溫度升高到980°C時(shí)，試樣的整體相對(duì)密度降低，可以認(rèn)為是熔體池過(guò)熱的結(jié)果。從上述結(jié)果中得到的工藝圖如圖4(c, d)所示。對(duì)于MAPS粉，在TPH = 700°c時(shí)，兩組L-PBF參數(shù)組對(duì)應(yīng)的相對(duì)密度> 99%。對(duì)于GA粉，三個(gè)參數(shù)集允許實(shí)現(xiàn)相對(duì)密度> 99.9%。
在TPH = 700°C條件下制備的相對(duì)密度≥99%的MAPS和GA粉末樣品進(jìn)行ct研究。用于制備這些樣品的VED分別為77.8 J/mm3和45.8 J/mm3。根據(jù)ct結(jié)果(圖6)，兩種樣品的孔隙度均低于0.05%，分辨率約為10 μm。MAPS粉樣品的平均孔徑為30 μm, GA粉樣品的平均孔徑為25 μm。兩種情況下孔隙均以球形為主，說(shuō)明這些孔隙是圈閉氣體形成的。氣體孔隙可能來(lái)自不同的來(lái)源，如封閉的保護(hù)氣體、熔融汽化或粉末顆粒內(nèi)部的孔隙。
圖6 (a)在77.8 J/mm3 VED, TPH = 700℃時(shí)制備的MAPS粉末和(b)在45.8 J/mm3, TPH = 700℃時(shí)制備的GA粉末的孔隙體積的層析重建。
(責(zé)任編輯：admin)
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