熱等靜壓對增材制造顆粒增強鈦合金組織性能影響

來源： 材料科學與工程
增材制造（AM）技術已廣泛應用于航空航天、石油化工、醫(yī)療等多個領域的零件制造。激光粉末床熔融(L-PBF)技術是一種增材制造技術，它在金屬基材上沉積和熔化粉末層。L-PBF技術可使用多種原料粉末生產零件，α+β兩相鈦合金Ti6Al4V（以下簡稱Ti64）是最理想的AM合金之一，因為它在多種負載條件下具有不同特性。由L-PBF生產的Ti64部件抗拉強度和伸長率分別在1040-1211MPa和1.4-6.5%范圍內。但是，ASTM F136標準規(guī)定伸長率應至少為10%，抗拉強度應高于860MPa。因此，必須進行后處理以增加伸長率。為了提高Ti64的機械性能，已有報道通過L-PBF技術制備含顆粒增強相的Ti64復合材料。結果表明，Ti64的強度顯著增加，但塑性下降。在增強塑性變形和其他物理特性的不同熱處理中，熱等靜壓（HIP）是優(yōu)化微觀結構和機械性能最有效的方法之一。雖然已報道了許多關于HIP處理對L-PBF制造的Ti64微觀結構和力學性能的影響，但HIP對L-PBF制造的顆粒增強Ti64復合材料微觀結構和力學性能的研究很少。

法國索邦大學的一項最新研究揭示了HIP對氧化釔穩(wěn)定氧化鋯（YSZ）增強Ti64的微觀結構和機械性能的影響，分析了增強體含量對微觀結構和織構演變的影響。相關論文以題為“Effect of hot isostatic pressing on microstructure and mechanical properties of Ti6Al4V-zirconia nanocomposites processed by laser-powder bed fusion”發(fā)表在Materials & Design。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.110392

本研究通過電極感應熔化氣體霧化(EIGA)生產Ti64粉末，平均粒徑約25μm，另制備了含1wt%和2.5wt%納米nYSZ的Ti64粉末（簡稱為ZTP1和ZTP2.5），L-PBF工藝為：層厚30μm；功率200瓦；曝光時間100μs；掃描速度700mm/s；艙口間距80μm；點距65μm。

研究發(fā)現(xiàn)，含增強相和未增強試樣在HIP處理后接近全密度材料。微觀結構研究表明，HIP后處理具有三重效果：(1)降低β相百分比；(2)增加晶粒尺寸；(3)與HIP處理之前相比，產生更均勻分布的α和β晶粒（尤其是在未增強的Ti64材料中），塑性應變大大增加，而所有材料在HIP后壓縮強度僅略有變化。HIP處理后，增強后試樣的顯微硬度和強度仍然高于Ti64（ASTM F136）。相比于用其他陶瓷（如TiB2和B4C）增強的鈦合金，nYSZ增強和HIP處理后Ti64的機械性能更高，這證實了nYSZ增強的Ti64是航空航天和醫(yī)療領域有應用前景的材料。

圖1 初始粉末的顆粒形狀


圖2 HIP處理前后試樣的SEM圖


圖3 在HIP處理前后，α相晶粒尺寸(沿BD方向)隨nYSZ加入發(fā)生的變化


圖4 添加nYSZ和HIP處理對室溫壓縮真應力-真塑性應變的影響

HIP過程中出現(xiàn)織構演變，主要是因為發(fā)生再結晶和相變，織構強度增加可能是HIP處理后壓縮強度增加的主要原因。未來應探索HIP過程中再結晶和相變機制的表征。預計這種Ti64/nYSZ材料的疲勞強度將遠高于L-PBF加工的Ti64，鈦基復合材料的主要特點之一就是改善鈦合金的疲勞性能，本文為增材制造鈦基復合材料的研究提供了理論基礎。（文：破風）