硼对激光增材制造TC4微观组织及力学性能的影响
发布时间：2022-01-14 03:48
在TC4粉中加入不同含量的硼粉进行激光增材制造试验,研究了硼对激光增材制造TC4钛合金微观组织及力学性能的影响。结果表明:添加微量硼可以有效细化原始柱状晶和晶内的板条α相;当硼的质量分数为0.05%时,原始β柱状晶的生长被限制,柱状晶的宽度明显减小;当硼的质量分数为0.1%时,原始柱状晶大量转变为等轴晶,晶内板条α集束的尺寸减小;对比没有添加硼的激光增材制造TC4,TC4-0.05B的塑性明显提高,但强度的变化不明显;沉积态和固溶时效态TC4-0.05B力学性能的各向异性都较小。
【文章来源】：中国激光. 2020,47(06)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
激光增材制造的原理
成形试样经Kroll试剂腐蚀后,利用VH-600光学显微镜(OM)和TESCAN MIRA 3 LMH型扫描电镜(SEM)进行显微组织观察,并统计晶粒的平均尺寸,分析硼对TC4微观组织的影响。利用D8 ADVANCE型X射线衍射仪分析试样的物相构成。利用HXD-2000TM/LCD显微硬度计、INSTRON材料试验机分别测试试样的显微硬度和拉伸性能,硬度测试加载的载荷为1.96 N。由于激光增材制造TC4存在各向异性,因此在竖直(Z)和水平(XY)方向上分别成形拉伸试样。拉伸试样示意图如图2所示。3 结果和讨论
关于硼细化钛合金晶粒的机理,多数研究人员认为:一方面,在金属凝固过程中,硼元素经过流动和扩散在凝固前沿富集,因此会在固液界面处形成成分过冷区,从而提高了晶体的形核率;另一方面,硼元素在基体内分布不均,导致局部区域浓度较高,促进了共晶反应的发生,生成了高熔点的TiB,TiB作为形核质点进一步提高了形核率,最终达到了细化晶粒的目的[11-13]。不同硼含量的激光增材制造TC4钛合金的微观组织如图3所示。当不含硼时,微观组织为粗大的原始β柱状晶,宽度为200～250 μm,α相沿晶界连续析出,晶内组织由针状α板条和少量的板条间β构成,同时也存在少量的等轴α相。这种类似于马氏体的针状α主要是在快速冷却的条件下由β相转变产生的。当TC4中含有质量分数为0.05%的硼时,原始柱状晶的宽度明显减小,但由于硼含量较低,所以很难直接观察到硼或TiB的形态和分布情况;此外,晶界α不再连续析出,而是逐渐断裂破碎转变成球形。文献[14-16]分别针对板条α的破碎球化现象进行了研究,并提出了表面张力扰动模型、晶界分离模型以及板条状结构末端物质迁移模型,用以揭示α球化的机制。当硼的质量分数增加到0.075%时,原始柱状晶的宽度进一步下降,TiB沿着晶界少量析出,且呈不连续状。当硼的质量分数增加到0.1%时,原始柱状晶完全转变成细小的等轴晶,TiB沿着晶界大量析出,并呈网状分布。图4给出了随着硼的加入,激光增材制造TC4钛合金室温α相的尺寸变化。对比不含硼的TC4,TC4-0.05B、TC4-0.075B和TC4-0.1B的微观组织均得到了明显的细化(尤其是α相的长度显著减小),而且硼含量越高,细化越明显。另外,利用ImageJ图像处理软件手动统计了不同硼含量合金微观组织中α相的尺寸,每种合金分别随机选取50个α相,对其长和宽进行手动测量,分析硼的加入对α相长宽比δ的影响。δ越小,说明微观组织的等轴度越高,相应的力学性能越好。图4(b)表明,微量硼(0.05%)对降低TC4钛合金微观组织的长宽比、提高等轴度具有正面作用。
【参考文献】：
期刊论文
[1]感应加热辅助变质剂硼细化激光熔覆沉积TC4晶粒的研究[J]. 梁朝阳,张安峰,李丽君,王豫跃,张金智,王宏. 中国激光. 2018(07)
[2]激光选区熔化成形TC4钛合金热处理后微观组织和力学性能[J]. 肖振楠,刘婷婷,廖文和,张长东,杨涛. 中国激光. 2017(09)
[3]少量硼对钛合金组织影响的研究进展[J]. 黄立国,高志玉,付大军. 材料导报. 2015(21)
[4]激光立体成形TC4钛合金组织和力学性能研究[J]. 李静,林鑫,钱远宏,黄卫东. 中国激光. 2014(11)
[5]添加微量B元素对铸造TC4钛合金显微组织和力学性能的影响[J]. 包淑娟. 钛工业进展. 2012(04)
[6]稀土钕对激光快速成形TC4合金组织及性能的影响[J]. 张凤英,陈静,谭华,林鑫,黄卫东. 稀有金属材料与工程. 2007(08)
本文编号：3587744
【文章来源】：中国激光. 2020,47(06)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
激光增材制造的原理
成形试样经Kroll试剂腐蚀后,利用VH-600光学显微镜(OM)和TESCAN MIRA 3 LMH型扫描电镜(SEM)进行显微组织观察,并统计晶粒的平均尺寸,分析硼对TC4微观组织的影响。利用D8 ADVANCE型X射线衍射仪分析试样的物相构成。利用HXD-2000TM/LCD显微硬度计、INSTRON材料试验机分别测试试样的显微硬度和拉伸性能,硬度测试加载的载荷为1.96 N。由于激光增材制造TC4存在各向异性,因此在竖直(Z)和水平(XY)方向上分别成形拉伸试样。拉伸试样示意图如图2所示。3 结果和讨论
关于硼细化钛合金晶粒的机理,多数研究人员认为:一方面,在金属凝固过程中,硼元素经过流动和扩散在凝固前沿富集,因此会在固液界面处形成成分过冷区,从而提高了晶体的形核率;另一方面,硼元素在基体内分布不均,导致局部区域浓度较高,促进了共晶反应的发生,生成了高熔点的TiB,TiB作为形核质点进一步提高了形核率,最终达到了细化晶粒的目的[11-13]。不同硼含量的激光增材制造TC4钛合金的微观组织如图3所示。当不含硼时,微观组织为粗大的原始β柱状晶,宽度为200～250 μm,α相沿晶界连续析出,晶内组织由针状α板条和少量的板条间β构成,同时也存在少量的等轴α相。这种类似于马氏体的针状α主要是在快速冷却的条件下由β相转变产生的。当TC4中含有质量分数为0.05%的硼时,原始柱状晶的宽度明显减小,但由于硼含量较低,所以很难直接观察到硼或TiB的形态和分布情况;此外,晶界α不再连续析出,而是逐渐断裂破碎转变成球形。文献[14-16]分别针对板条α的破碎球化现象进行了研究,并提出了表面张力扰动模型、晶界分离模型以及板条状结构末端物质迁移模型,用以揭示α球化的机制。当硼的质量分数增加到0.075%时,原始柱状晶的宽度进一步下降,TiB沿着晶界少量析出,且呈不连续状。当硼的质量分数增加到0.1%时,原始柱状晶完全转变成细小的等轴晶,TiB沿着晶界大量析出,并呈网状分布。图4给出了随着硼的加入,激光增材制造TC4钛合金室温α相的尺寸变化。对比不含硼的TC4,TC4-0.05B、TC4-0.075B和TC4-0.1B的微观组织均得到了明显的细化(尤其是α相的长度显著减小),而且硼含量越高,细化越明显。另外,利用ImageJ图像处理软件手动统计了不同硼含量合金微观组织中α相的尺寸,每种合金分别随机选取50个α相,对其长和宽进行手动测量,分析硼的加入对α相长宽比δ的影响。δ越小,说明微观组织的等轴度越高,相应的力学性能越好。图4(b)表明,微量硼(0.05%)对降低TC4钛合金微观组织的长宽比、提高等轴度具有正面作用。
【参考文献】：
期刊论文
[1]感应加热辅助变质剂硼细化激光熔覆沉积TC4晶粒的研究[J]. 梁朝阳,张安峰,李丽君,王豫跃,张金智,王宏. 中国激光. 2018(07)
[2]激光选区熔化成形TC4钛合金热处理后微观组织和力学性能[J]. 肖振楠,刘婷婷,廖文和,张长东,杨涛. 中国激光. 2017(09)
[3]少量硼对钛合金组织影响的研究进展[J]. 黄立国,高志玉,付大军. 材料导报. 2015(21)
[4]激光立体成形TC4钛合金组织和力学性能研究[J]. 李静,林鑫,钱远宏,黄卫东. 中国激光. 2014(11)
[5]添加微量B元素对铸造TC4钛合金显微组织和力学性能的影响[J]. 包淑娟. 钛工业进展. 2012(04)
[6]稀土钕对激光快速成形TC4合金组织及性能的影响[J]. 张凤英,陈静,谭华,林鑫,黄卫东. 稀有金属材料与工程. 2007(08)
本文编号：3587744
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