等离子电弧增材TA15钛合金板组织与性能研究

发布时间: 2024-02-20 16:29:15    浏览次数:

前言

TA15(Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Zr)钛合金,是一种典型的近α型钛合金,具有比强度高、耐蚀性强、焊接性好的特点,在坦克装甲、武装直升机、船舶等防护领域有着关键应用[1-5]。但传统钛合金加工制造工艺如铸造、锻造等存在生产周期长、材料利用率低、过程可控性小等不足,严重限制了钛合金的进一步应用。钛合金加工周期延长,提高了产品加工成本。增材制造技术能够实现近净成形,仅需少量加工,因此其在钛合金广泛应用减少了成产成本,提高市场响应速率。

TA15钛板

近几年来,增材制造[6](AM,AddiTiVeMAn-ufActuring)技术的快速发展为解决传统制造的难题提供了解决途径。对钛合金的增材研究主要集中于激光增材。SAbbAn[7]研究了tA1的激光增材技术,创新性的使用循环热处理方式将α晶粒球化并获得双态微观结构,在保持材料原有高强度的同时,提高了延展性和韧性。ShengZhAng等[8]研究了热处理对增材TA15组织的影响并获得了综合性能良好三态组织。

然而,激光设备投资大、运行成本高、沉积效率低,无法满足日益增长的大型结构件快速制造需求。丝材+电弧增材制造(Wire+ArcAddi-TiVeMAnufActuring,WAAM)是一种以电弧为热源、丝材为填充金属进行逐层堆积的增材制造技术[9]。

与以电子束、激光等为热源增材方式相比,WAAM技术具有沉积效率高、材料利用率高、设备投资成本低等巨大优势,受到了国内外研究学者的广泛关注。Wu等[10]研究了tc4电弧增材过程中热积累对成形质量的影响,发现由于散热路径的改变将影响构件形状特征。等离子电弧增材技术以压缩电弧为热源,能量密度高、沉积效率高、成型精度高、电弧稳定性强的特点,在钛合金增材制造领域有着重要应用。徐俊强等[11]研究了协同送丝等离子增材制造异种钛合金组织与性能,结果表明增材构件中存在两种微观组织形态,即分布在沉积层交界处的α相集束组织和分布在沉积层中心的α+β相片层组织,成功将等离子电弧增材应用到异种钛合金的制造。

由于目前使用等离子电弧增材制造TA15钛合金的研究较少。本文通过研究等离子电弧增材制造TA15钛合金组织与性能,以期扩展TA15成型方法与应用,为钛合金电弧增材发展应用提供理论与实践基础。

1、试验材料及方法

等离子电弧增材示意图如图1所示。基板为200MM×100MM×6MM的TA15钛合金板材,沉积金属为TA15钛合金丝材,其化学成分如表1所示。

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增材开始前,对钛合金基板的待增材表面进行打磨并用丙酮擦拭,除去表面氧化层和油污。使用夹具固定基板,防止基板变形对增材过程产生影响。

增材时,在一层堆积完成后,下一层电弧运动方向与上一层运动方向相反。等离子电弧增材制造TA15钛合金工艺参数如表2所示。

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增材完成后,从增材构件上使用线切割机取拉伸试样和金相试样进行表征。取样方式如图1所示。对金相试样依次在240#、400#、600#、800#、1200#、2000#砂纸上进行打磨至光亮,经抛光、腐蚀剂(3MLhf、30MLhno3、67MLh2o2)腐蚀、酒精清洗并吹干后获得金相试样。

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依据标准gb/t228—2002取得拉伸试样,并利用万能试验机测试室温下的拉伸性能,分析不同区域的性能变化规律。采用光学显微镜对增材样件显微组织进行表征,使用feiQuAntA250f场发射扫描电镜观察微观组织及拉伸断口形貌。

2、试验结果及分析

2.1增材TA15微观组织

取电弧增材TA15直壁上、中、下三部分金相试样,获得微观组织如图2所示,其中图2A、图2c、图2e为不同位置的金相照片,图2b、图2d、图2f为不同位置的SeM照片。从图2A中可以看出,上部组织主要有类似于网篮的网篮组织,以及取向一致的片层状组织,另外存在少量的针状α和α′。结合TA15相图,不难分辨出,上部微观组织主要由针、片状α、针状马氏体α′、网篮组织、魏氏组织及大等轴原始β晶组成。其中,马氏体α′相的形成主要与增材过程中的形核、冷却速度以及成分扩散有关。对于最上部组织,等离子增材完成后,最上层钛合金温度高于β相转变温度,且散热较快,β相在较快的冷却速度下转变成马氏体。

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中层位置主要有网篮组织、少量魏氏组织、少量马氏体α′、集束组织、棒状α和原始β晶界。中、下位置α′的减少的主要原因是,后续多层热循环的累积,对中下层有热处理作用,使得马氏体α′分解,并形成集束组织[12]。而中、下位置的片层宽度增大,也是后续沉积层的热积累而形成的热处理作用。

下层位置的组织与中层相似,有网篮组织、部分针状α、少量α′、魏氏组织、原始β晶界,但有比中层组织更加明显的短棒状(等轴状)α晶。值得关注的是中、下层组织存在短棒状(或等轴状)α,且下层棒状α较中层尺寸大,这是由于中、下层组织受到后续沉积层热处理作用,使得短棒状α生长。通常认为短棒状的α晶初生α晶,片层α晶为次生α晶[8]。中、下部组织与上部组织有着明显差别,主要是由于中下部层收到了后续多层热循环作用。中下层α片层尺寸更大。三个位置均有取向一致的α针片状组织。这是由于直壁构件整体散热较慢,冷却速度远小于最上层组织,过冷度较小,易于晶界处形核并生长,从而形成取向一致的针片状α从组织。

另外可以看到,显微组织中同时存在不连续晶界和连续晶界(图2A)。李雷等[12]认为,该晶界是由块状的初生α相组成。没有形成连续晶界的原因是,晶界处温度低,冷却速度较慢,过冷度较小,α在该处形核并缓慢长大,从而形成不连续晶界。

2.2增材TA15力学性能

不同方向不同部位的拉伸性能如图3所示。

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可以看出,等离子增材TA15钛合金,对于平行于焊缝方向的试样,其抗拉强度和屈服强度均大于垂直于焊缝方向的试样,伸长率小于垂直于焊缝方向的试样,增材试样具有明显的各向异性;从上到下,抗拉强度逐渐增大。主要是由于受到多层热循环的作用,中下部组织残留β基体中生长出更多片层状次生α相,使得试样强度增大。由于增材时电弧运动路径上下层不同,使得增材冷却后没有形成贯穿多层的大柱状晶粒,且左右两侧受热作用相似,因此同一水平方式取样下,垂直于焊缝方向的两侧试样强度没有明显的差距。

图4显示了三组平行于焊缝方向试样的典型拉伸断口微观形貌。图4A断口含有剪切韧窝以及少量等轴韧窝,是一种典型的延性断裂特征。图4b显示了平行于焊缝方向中部的拉伸断裂形貌,其中含有较多的等轴韧窝,这也验证了图4b组试样的抗拉强度大于图4A组试样。图4c断口有明显的准解理断裂特征,为韧、脆混合断裂。这也证明了下层位置的试样塑性较差,主要是由于热累积使得下层晶粒生长而粗大。

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同时值得关注的是,水平垂直于焊缝试样的左、右两部分的塑性高于中部位置。通常在增材过程中,水平方向上焊缝中心位置较两侧散热速度慢,片层间距较大,晶粒较粗ꎻ而边缘冷却速度快,片层间距较窄,晶粒较小。通常细化晶粒后,单位体积内晶粒增多,变形易分散在更多的晶粒中,不容易造成应力集中,从而使得塑性提高。因此同一水平方向上,边缘位置的塑性略高于中心部位的塑性。

从本文分析可以看出,等离子电弧增材直壁试样的拉伸性能在二维方向具有明显的方向性,差距较大。

4、结论

(1)等离子电弧增材获得的直壁体中,上层组织主要有针、片状α、针状马氏体α′相、网篮组织、魏氏组织及大等轴原始β晶ꎻ中下层组织较为相似,均有网篮组织、少量魏氏组织、少量马氏体α′、集束组织、原始β晶界,但下层组织存在短棒状(等轴状)α晶,为初生α相。

(2)等离子电弧增材获得的直壁体中,沿增材方向组织差异明显,中下层α片层宽度较上层大。

(3)TA15电弧增材制造直壁构件存在明显的各向异性,平行于焊缝方向的抗拉强度大于垂直于焊缝方向的抗拉强度。

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