研究背景介紹
TC4鈦合金因其優(yōu)異的力學(xué)性能、耐熱性和抗氧化性，被廣泛應(yīng)用于航空航天、核反應(yīng)堆等領(lǐng)域。傳統(tǒng)加工方式成本高、效率低，難以制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件。粘結(jié)劑噴射3D打印技術(shù)以其高效率、低成本的特點(diǎn)，為TC4鈦合金的制造提供了新的解決方案。該技術(shù)通過噴射粘結(jié)劑將粉末粘結(jié)成型，再通過燒結(jié)實(shí)現(xiàn)致密化，有望實(shí)現(xiàn)鈦合金零件的高效制造。然而，粉末粒徑對(duì)3D打印TC4鈦合金的致密度和性能的影響尚不明確。因此，本研究通過實(shí)驗(yàn)探討了不同粒徑的TC4鈦合金粉末在3D打印和燒結(jié)過程中的表現(xiàn)，為優(yōu)化3D打印工藝提供了重要參考。
文章來(lái)源及內(nèi)容
李風(fēng)偉等人撰寫的《粉末粒徑對(duì)3D打印TC4鈦合金致密度和性能影響》發(fā)表于《特種鑄造及有色合金》2024年第44卷第12期。文章采用粘結(jié)劑噴射3D打印技術(shù)，對(duì)3種不同粒徑的TC4鈦合金粉末進(jìn)行打印、固化和燒結(jié)，研究了粉末粒徑對(duì)合金燒結(jié)致密度和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，粉末粒徑越小，燒結(jié)致密度越高，力學(xué)性能越好，但過小的粒徑會(huì)導(dǎo)致塑性降低。該研究由武漢易制科技有限公司和華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室共同完成。
研究亮點(diǎn)
? 系統(tǒng)研究了粉末粒徑對(duì)3D打印TC4鈦合金燒結(jié)致密度和力學(xué)性能的影響。
? 發(fā)現(xiàn)粉末粒徑越小，燒結(jié)致密度越高，力學(xué)性能越好。
? 提出了優(yōu)化粉末粒徑的建議，為3D打印TC4鈦合金的生產(chǎn)提供了重要參考。
研究方法
本研究采用粘結(jié)劑噴射3D打印技術(shù)，對(duì)3種不同粒徑的TC4鈦合金粉末進(jìn)行打印、固化和燒結(jié)。通過阿基米德排水法測(cè)定燒結(jié)密度，利用金相顯微鏡、掃描電鏡和力學(xué)性能試驗(yàn)對(duì)燒結(jié)后的TC4鈦合金進(jìn)行顯微組織和力學(xué)性能分析。
內(nèi)容解讀
1.試驗(yàn)材料與方法
? 試驗(yàn)材料：使用3種不同粒徑的TC4鈦合金粉末，分別標(biāo)記為TC4-1、TC4-2和TC4-3。
? 試驗(yàn)設(shè)備：采用自制的M400Pro粘結(jié)劑噴射金屬3D打印機(jī)，打印層厚為40 μm。
? 試驗(yàn)方法：將粉末打印成型后在140℃下固化，再在真空鉬帶爐中燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1 200℃，保溫2小時(shí)。
圖1 3種TC4鈦合金粉末的微觀形貌
圖2 3D打印的TC4鈦合金初坯和燒結(jié)后的形貌
2.試驗(yàn)結(jié)果與分析
? 燒結(jié)試樣的孔隙形貌和致密度：粉末粒徑越小，燒結(jié)致密度越高。TC4-3（D50=8.49 μm）的燒結(jié)致密度最高，達(dá)到98.2%。
圖3 3種TC4鈦合金試樣燒結(jié)后的孔隙形貌
? 粉末粒徑對(duì)顯微組織和力學(xué)性能的影響：粉末粒徑越小，晶粒尺寸越小，抗拉強(qiáng)度和硬度越高，但伸長(zhǎng)率降低。TC4-2（D10=6.45 μm，D50=12.60 μm，D90=22.10 μm）的綜合性能最佳，抗拉強(qiáng)度為935 MPa，伸長(zhǎng)率為12.7%，硬度為341 HV。
圖4 3種TC4鈦合金試樣燒結(jié)后的金相組織
圖5 3種TC4鈦合金試樣燒結(jié)后的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線
圖6 3種TC4鈦合金粉末及其燒結(jié)后的O含量
? 拉伸斷口形貌觀察：TC4-1的斷口形貌具有少量韌窩，TC4-2具有大量等軸韌窩，TC4-3具有沿晶脆性斷裂特征。
圖7 3種TC4鈦合金試樣燒結(jié)后的拉伸斷口SEM形貌
主要結(jié)論
? 粉末粒徑越小，燒結(jié)致密度越高。TC4-3（D50=8.49 μm）的燒結(jié)致密度最高，達(dá)到98.2%。
? 粉末粒徑越小，晶粒尺寸越小，抗拉強(qiáng)度和硬度越高，但伸長(zhǎng)率降低。
? 考慮到3D打印TC4鈦合金燒結(jié)后的強(qiáng)塑性最佳匹配，最佳粉末粒徑為TC4-2（D10=6.45 μm，D50=12.60 μm，D90=22.10 μm），最終抗拉強(qiáng)度為935 MPa，伸長(zhǎng)率為12.7%，硬度為341 HV。
