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杭州博華激光技術(shù)有限公司

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激光3D打印高強高韌Ti合金
信息來(lái)源:激光先進(jìn)制造研究院       日  期:2022-09-26

        激光增材制造的Ti合金,具有比傳統鑄造或者壓力加工更為優(yōu)異的力學(xué)性能,最具代表性的是具有良好焊接性能的Ti6Al4V,廣泛應用于L-PBF過(guò)程。而激光熔化和凝固過(guò)程中的激冷和激熱(104106ºC/s),再加上逐層打印過(guò)程中的熱循環(huán),會(huì )引入層級狀的針狀馬氏體(α’-Ti)分布在柱狀母相(β-Ti)中,這種各向異性的微觀(guān)結構,伴隨著(zhù)較差的延展性、疲勞強度和斷裂強度,成為增材制造Ti合金亟需解決的問(wèn)題。研究表明,采用混合的粉末,比如在Ti粉中混入β穩定元素的粉末,通過(guò)激光打印過(guò)程中的原位合金化,可以得到高延展性的β-Ti相,改善材料的強度和韌性。然而激光參數和原位合金化的內在關(guān)聯(lián),以及打印參數對微觀(guān)結構和力學(xué)性能的影響依然未知。

近日,瑞士保羅謝爾研究所(Paul Scherrer InstituteHelena Moens-Van Swygenhoven教授聯(lián)合英國諾丁漢大學(xué)的Marco Simonelli教授、鄒志祎研究員和拉夫堡大學(xué)的Yau Yau Tse教授課題組報道了激光粉床熔融制造中采用混合粉末(Ti64+Fe),通過(guò)控制激光參數,來(lái)調控βα’相比例制造高強高韌雙相Ti-6Al-4V-3Fe合金。相關(guān)論文以題為“Microstructural engineering of a dual-phase Ti-Al-V-Fe alloy via in situ alloying during laser powder bed fusion”發(fā)表在Additive Manufacturing上。陳銘研究員為第一作者,課題組組長(cháng)Steven Van Petegem為通訊作者。

論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.103173

 

該團隊使用Ti64和單質(zhì)Fe3wt%)的混合粉末(圖1)打印發(fā)現,激光能量密度的高低對微觀(guān)結構和元素分布會(huì )產(chǎn)生深遠的影響。較低的單位體積能量(VED)輸入,能夠在樣品S1中得到更多的β相(~80%)(圖2),而在高能量密度打印的樣品S2β相顯著(zhù)降低,同時(shí)Fe元素分布的更為均勻。以β相為主的低能量密度打印的樣品S4在拉伸實(shí)驗中,展現了比增材制造的Ti64合金更高的強度和更好的塑性(圖3),雖然比以α’相為主的高能量密度打印的樣品S5強度低,但是綜合力學(xué)性能更為優(yōu)越。Fe元素的原位合金化既引入了延展性良好的β相和ω硬化相,同時(shí)也起到了合金強化的作用。此外,β相會(huì )在應力作用下誘發(fā)馬氏體相變(β→α’),也就是TRIPtransformation induced plasticity)效應,有效提升塑性。

 

1. 激光粉床熔融(L-PBF)中的Ti64Fe的混合粉末。

 

4. 激光能量對打印中相變過(guò)程的影響:S1S3能量密度逐步升高。

 

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