基于3D打印的SiCp/Ti6Al4V的组织与性能研究

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钛合金由于具有高强度、高模量、优良的耐热性和耐腐蚀性等特点而被广泛应用于各个领域。但是由于常规钛合金的铸造成型性能差、抗磨性差、热膨胀系数高等特点使其不能满足现如今装甲车辆蒙皮支架结构的需求。在钛合金熔体中添加SiC颗粒,不但可以通过原位反应制备高模量、高硬度、低膨胀的纳米强化相(TiC、Ti5Si4),同时未反应的SiC颗粒还可以起到增强作用,显著提升钛基复合材料的比模量、比强度、耐热性、耐磨性,降低热膨胀系数。选区激光熔化技术具有开发周期短,加工精度高和成形零件复杂等特点,采用这一工艺制备出的金属零件结构致密、组织均匀、晶粒和第二相尺寸细小,强化相/基体界面结合紧密,可成形出的材料具有较好的力学性能。因此采用选区激光熔化技术制备碳化硅颗粒增强的钛基复合材料对提升钛基复合材料性能的研究有重要意义。本文研究了 SiCp/Ti6A14V复合材料的选区激光熔化工艺参数。通过单道单层试验及10mm×10mm×10mm块体3D打印实验,研究了激光功率(160~280 W)、扫描速度(800~2000 mm/s)及扫描间距(0.06~0.09 mm)三种主要工艺参数对钛基复合材料成形质量的影响,探索了成形过程中孔洞产生的形成原因,获得了特定体积分数钛基复合材料的最优成形工艺参数组合及具有最佳综合性能的钛基复合材料。采用X射线衍射仪(XRD)、金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、显微硬度仪、拉伸试验机及热膨胀分析仪等检测手段检测分析了 SiC含量对钛基复合材料的物相、显微组织、力学性能及热膨胀性能的变化规律。以下是主要的研究结论:(1)随着激光功率的持续增大,试样致密度持续增高;随着扫描速度不断加快,致密度的变化趋势为先增大后降低;随着扫描间距的逐渐变宽,试样致密度呈先增大后降低的变化趋势。通过研究SLM成形体积分数为0.5vol.%SiCp/Ti6A14V复合材料可获得最优工艺参数为:激光功率P为220W,扫描速度V为1000mm/s,扫描间距d为0.07mm,层厚h为0.03mm。运用优化的工艺3D打印的SiCp/Ti6A14V复合材料试样致密度高,内部缺陷少。(2)通过物相研究发现:TC4合金主要由α-Ti相和β-Ti相组成。在TC4中引入SiC后,少量的SiC与Ti反应生产纳米的TiC及Ti5Si4相分布于晶内,起到原位反应自生强化作用。随着SiC体积分数持续变大,SiC相的衍射峰数量逐渐增多,强度逐渐升高,SiC相含量逐渐增多。但SiC加入量为1.0vol.%时,复合材料的相组成为α-Ti、β-Ti、微米SiC、纳米TiC和Ti5Si4相。(3)显微组织研究发现:TC4合金组织中主要存在针状α马氏体相和β柱状晶。随着SiC体积分数的增高,试样横面组织中针状相逐渐减少,熔池方向及熔宽逐渐清晰,纵面组织中β柱状晶逐渐减少,堆叠的鱼鳞状熔池轮廓逐渐清晰且层间结合紧密。结合SEM及能谱数据可知,纳米TiC颗粒与微米SiC颗粒在不同截面上的分布是不同的。复合材料试样横面组织中增强相主要为TiC和SiC相,纵面组织中存在增强相主要为TiC相。(4)性能研究表明:随着SiC含量的不断增加,钛基复合材料的显微硬度先提高后稍有降低,之后大幅度提升,总体呈上升趋势,最高可达425HV,与相同状态的TC4相比,提高26%。抗拉强度呈先快速升高后逐渐降低,延伸率总体呈下降趋势,但SiC含量为0.25%时,抗拉强度最高可达1458.77Mpa,与相同状态的TC4相比,提高了 24%。随着温度的升高,相比于TC4合金,钛基复合材料线热膨胀系数变化波动较小。其中SLM成形0.25vol.%SiCp/Ti6A14V复合材料复合材料具有最优综合性能。
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