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熱處理對(duì)3D打印TC4鈦合金鍛件耐蝕性的影響
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熱處理對(duì)3D打印TC4鈦合金鍛件耐蝕性的影響

發(fā)布時(shí)間 :2023-03-22 17:48:39 瀏覽次數(shù) :

TC4鈦合金(Ti-6Al-4V)是國(guó)內(nèi)外廣泛使用的鈦合金,含有6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)α相穩(wěn)定元素Al和4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),消停)β相穩(wěn)定元素V,是典型的α+β鈦合金,以雙態(tài)、等軸、魏氏體和網(wǎng)籃組織為主。

TC4鈦合金鍛件

TC4合金在20~400 ℃具有良好的綜合性能(輕質(zhì)、耐熱、高強(qiáng)、抗氧化、耐腐蝕等),廣泛用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇葉片、風(fēng)扇盤和轉(zhuǎn)子葉片。相比于傳統(tǒng)鑄造TC4合金,3D打印TC4合金無需任何加工磨具,工藝快速簡(jiǎn)單,同時(shí)避免了TC4合金成型加工困難的缺點(diǎn),特別適合制造大型復(fù)雜鈦合金關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件[1-2]。

在海洋性大氣環(huán)境中,鈦合金可以在表面形成穩(wěn)定的氧化膜,同時(shí)具備良好的耐蝕性。然而,航空發(fā)動(dòng)機(jī)用關(guān)鍵鈦合金零部件長(zhǎng)期服役于高溫、高壓、高濕、高鹽及高速微動(dòng)磨損等多重極端惡劣條件下,其耐蝕性可能會(huì)因惡劣服役環(huán)境的影響而大幅降低。研究表明:腐蝕環(huán)境、微觀組織、化學(xué)元素含量和相的形態(tài)均會(huì)對(duì)鈦合金的耐蝕性產(chǎn)生影響。張瑋航等[3]研究了3D打印參數(shù)對(duì)TC4合金耐蝕性的影響,結(jié)果表明,3D打印功率越低、掃描速率越慢,鈦合金的耐蝕性越好;ALAGIC等[4]的研究表明,與具有α+β兩相組織的Ti-6Al-4V合金相比,具有單相馬氏體組織的Ti-13Nb-13Zr合金的耐蝕性更好; 何博文等[5]采用電化學(xué)腐蝕方法比較了3D打印鈦合金與鑄造鈦合金的耐蝕性,結(jié)果表明,3D 打?。裕?1鈦合金的α+β網(wǎng)籃組織較鍛件組織細(xì)小,具有更好的耐蝕性,雙重退火熱處理后,α相含量增多并粗化,耐蝕性略有下降。然而,已有文獻(xiàn)大多針對(duì)打印參數(shù)或者單一熱處理工藝對(duì)鈦合金耐蝕性的影響,而本工作研究了多種熱處理工藝對(duì)鈦合金耐蝕性的影響,以期為3D 打印鈦合金的熱處理提供借鑒。

1、試驗(yàn)

采用激光立體成型設(shè)備對(duì)TC4鈦合金球形粉末進(jìn)行3D打印,TC4粉末采用等離子旋轉(zhuǎn)電極法制備,試樣的成形參數(shù)如下:激光功率2 800W;掃描速率800~1000mm/min;送粉器示數(shù)10~20;光斑直徑5mm;載粉氣流量7~10L/min;鏡頭保護(hù)氣流量20~25L/min;Z軸單層行程1mm;搭接率50%。單層掃描采用往復(fù)掃描方式,通過在已有沉積層上反復(fù)進(jìn)行新層的搭接最終形成尺寸為120mm×60mm×30mm的厚板。

打印完成后,取三塊相同的試板進(jìn)行如下處理:第一組不進(jìn)行處理,記作1號(hào)試樣;第二組進(jìn)行時(shí)效處理(550℃保溫4h,空冷),記作2號(hào)試樣;第三組進(jìn)行固溶時(shí)效處理(950℃保溫4h后,550℃保溫4h,水冷),記作3號(hào)試樣。將三種試樣分別取樣進(jìn)行顯微組織觀察,隨后在1mol/L鹽酸溶液中進(jìn)行電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)。微觀組織觀察試樣尺寸為15mm×15mm×10mm。試樣經(jīng)鑲嵌、打磨、拋光后用體積比為1:3:50的氫氟酸和硝酸混合水溶液進(jìn)行腐蝕。采用Axio?。桑恚幔纾澹颉。?m 顯微鏡觀察試樣的顯微組織,采用Axio?。郑椋螅椋铮钴浖y(tǒng)計(jì)組織中不同相的含量。

電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)在室溫1mol/L鹽酸溶液中進(jìn)行。試驗(yàn)采用三電極體系,鉑片為輔助電極,飽和甘汞電極(SCE)為參比電極,試樣為工作電極。測(cè)試前,將試樣釬焊在細(xì)銅導(dǎo)線上后用環(huán)氧樹脂封裝,工作表面(10mm×10mm)采用砂紙逐級(jí)打磨并拋光后,使用無水乙醇超聲清洗。將試樣浸泡在試驗(yàn)溶液中測(cè)量其開路電位;電化學(xué)阻抗測(cè)試的掃描頻率為10-2~105Hz。動(dòng)電位極化曲線的掃描速率為0.167mV/s,測(cè)試范圍為-0.5~+0.5V(相對(duì)開路電位),測(cè)試結(jié)果采用Zview軟件進(jìn)行擬合[6-8]。

2、結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

由圖1可見:3D打印TC4鈦合金的顯微組織為α+β網(wǎng)籃組織,其中,沉積態(tài)(1號(hào)試樣)的組織為細(xì)針狀α+β網(wǎng)籃組織,針狀α相平均寬度約為0.4μm;經(jīng)時(shí)效處理后(2號(hào)試樣),試樣組織仍為α+β網(wǎng)籃組織,α相粗化,平均寬度約為0.8μm,且α相含量增加;經(jīng)固溶時(shí)效水冷處理后(3號(hào)試樣),試樣組織明顯粗化,轉(zhuǎn)變?yōu)樘厥獾摩粒戮W(wǎng)籃組織,由粗大的片層α相(平均寬度約為2μm)和細(xì)小針狀α相(平均寬度約為0.6μm)組成[9]。

a1.jpg

采用Axio?。郑椋螅椋铮钴浖?duì)三種試樣組織中的α相含量進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果表明:1號(hào)試樣組織中的α相質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為51%;經(jīng)時(shí)效處理后的2號(hào)試樣,其α相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為58%;經(jīng)固溶時(shí)效水冷處理的3號(hào)試樣,α相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為65%。

2.2 電化學(xué)試驗(yàn)

2.2.1極化曲線

由圖2和表1可見,三種試樣在1mol/L鹽酸溶液中的極化曲線相似;3D打印TC4鈦合金經(jīng)熱處理后,開路電位有所升高;三種試樣的腐蝕電流密度由小到大依次為1號(hào)試樣、2號(hào)試樣、3號(hào)試樣。

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一般來說,開路電位并不能完全反映材料的耐蝕性,開路電位的高低與TC4鈦合金在鹽酸溶液中開始腐蝕的孕育期也有一定的關(guān)系[10-12],綜合開路電位與腐蝕電流密度,三種試樣在1mol/L鹽酸溶液中的耐蝕性由強(qiáng)到弱依次為沉積態(tài)(1號(hào))試樣、時(shí)效態(tài)(2號(hào))試樣和時(shí)效水冷態(tài)(3號(hào))試樣。

2.2.2電化學(xué)阻抗譜

由圖3可見:三種試樣的電化學(xué)阻抗均為單一的容抗?。ㄒ粋€(gè)時(shí)間常數(shù))。根據(jù)容抗弧特征,選取圖4所示等效電路對(duì)阻抗譜進(jìn)行擬合,其中Rs為溶液電阻,CPE為雙電層常相位角元件,Rp為極化電阻。電化學(xué)阻抗譜的擬合結(jié)果見表2,通常極化電阻Rp越大,試樣的耐蝕性越高。由圖3和表2可見:三種試樣的耐蝕性由強(qiáng)到弱依次為沉積態(tài)(1號(hào))試樣、時(shí)效態(tài)(2號(hào))試樣和時(shí)效水冷態(tài)(3號(hào))試樣,這與動(dòng)電位極化曲線的結(jié)果一致。

a3.jpg

2.3 討論

綜合顯微組織觀察與電化學(xué)測(cè)試結(jié)果,3D打印鈦合金在1mol/L鹽酸溶液中的耐蝕性受后續(xù)熱處理的影響會(huì)發(fā)生變化,沉積態(tài)試樣的耐蝕性最好,時(shí)效態(tài)試樣的次之,時(shí)效水冷態(tài)試樣的最差。顯微組織差異是造成沉積態(tài)試樣和后續(xù)熱處理試樣耐蝕性差異的根本原因。

a4-b2.jpg

熱處理會(huì)對(duì)3D打印TC4鈦合金的耐蝕性產(chǎn)生影響,這是因?yàn)椋菏紫?,根?jù)張敏等的研究結(jié)果,α相中Mo元素的含量比β相中的低,而Mo元素能夠極大地提高鈦合金表面鈍化膜在含Cl- 溶液中的穩(wěn)定性并增加合金的耐蝕性,所以α相的耐蝕性比β相的差。沉積態(tài)試樣的α相含量最低,后續(xù)熱處理使得α相析出,含量升高,故3D打印TC4鈦合金經(jīng)熱處理后耐蝕性減弱。其次,3D打印TC4鈦合金經(jīng)熱處理后合金組織出現(xiàn)一定程度的粗化,耐蝕性減弱。最后,3D打印TC4鈦合金經(jīng)水冷處理后出現(xiàn)粗大片層α相和細(xì)小針狀α相,組織變得更不均勻,耐蝕性變得更差。

3、結(jié)論

(1)在鹽酸溶液中,3D打印TC4鈦合金經(jīng)熱處理后耐蝕性有所差異,沉積態(tài)的最好,時(shí)效態(tài)的次之,時(shí)效水冷態(tài)的最差;

(2)3D打印TC4合金經(jīng)熱處理后耐蝕性差異的主要原因是組織差異;

(3)結(jié)合本文結(jié)論,可對(duì)3D打印鈦合金熱處理提供一定的借鑒意義,在保證其他性能滿足要求的情況下,可盡量降低α相析出,并提高組織均勻性,從而提高材料的耐蝕性。

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