TiAl基高温合金Ti-45Al-8Nb-0.3Y的SLM成形探索 ——参数优化、粉体改性及表征

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TiAl基高温合金是一种在航空航天领域有广泛应用前景的新型材料,其原子之间共存金属键和共价键的特性,使得其拥有了一系列优越的本征特性,如高熔点、低密度、良好的抗蠕变性能、高弹性模量以及优异的高温强度与抗氧化性等。传统的成形方法存在加工难度大、无法成形复杂结构的问题,而采用选区激光熔融技术在制备具有复杂形状TiAl合金零件方面具有明显的优势。本研究选用Ti-45Al-8Nb-0.3Y这一高Nb-TiAl合金作为研究对象,采用选区激光熔融的方式对材料进行加工。本研究表征了原始粉体的表层结构,分别通过场发射扫描电子显微镜、X射线光电子能谱和透射电子显微镜等手段对粉体表层结构表征,确认粉体表面被氧化物膜所包裹,总厚度为37.1 nm。结构分为两层,其外层主要成分为Al2O3,厚度20.4 nm,内层主要为Ti O2,厚度16.7 nm。而Y的氧化物广泛存在于整个氧化膜中。氧化物膜可有效提升单颗粉体对激光的吸收率,经计算,由于氧化物膜的包覆,单颗粉体对激光吸收率提升88.84%。同时,Y的引入有效调控了粉体氧化膜的结构。本研究利用选区激光熔融技术对原始粉体进行了成形参数探索,成形了具有较高致密度(~98.7%)的打印件,绘制了原始粉体的工艺窗口。激光功率<150 W时,体能量密度处于33 J/mm3-55 J/mm3范围的参数可以成形致密度较高的样品,当激光功率提升后,加工窗口被收窄,体能量处于30 J/mm3-40 J/mm3范围的参数可以成形具有较好质量的样品。并对组织进行了表征,物相以B2相为主(体积分数为84.9%),另有少量的α2相存在(14.6%),几乎不存在γ相(0.5%)。平均晶粒尺寸13.78μm。本研究利用Thermo-Calc计算对原材料在SLM成形过程中的特殊凝固路径,并利用HEXRD测试验证,确定其凝固顺序为L→L+β→α+β→α+γ+β→α2+γ+B2,其中,α→α+γ的共析反应受到冷速抑制,仅有极微量的γ被析出。这一结果与打印件组织表征结果相匹配。本研究利用湿法球磨的方法制备了Ti-45Al-8Nb+0.6Ti N复合粉体,利用HEXRD表征发现,成果改变了原材料的凝固路线,并进行SLM成形探索,获得致密度最高为97.9%的成形件。成形件晶粒尺寸明显减少(下降了35.5%),平均粒径仅为8.89μm。物相几乎全部(99.9%)为α2相。本研究使用原位合金化的方式在原材料中引入Si,获得元素均匀分布的成形件。致密度可达最高为98.4%,其组织主要呈柱状晶形式存在,β相含量增加,这降低了成形件的塑性和断裂韧性,影响了成形件对冷裂纹的抵抗能力,造成了样品相对严重的翘边现象。
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