打印参数对电子束增材制造Ti-Ni合金性能的影响

来源：多尺度力学

Ti-Ni合金主要由高温奥氏体(B2)和低温马氏体(B19')组成，通过两相之间的固态相变能够实现形状记忆效应和超弹性，但同时Ti-Ni合金优异的力学性能又使得该合金在机械加工过程中存在易出现毛刺、回弹大、切削困难和对加工刀具磨损严重等问题，因此只能生产棒、丝以及板材等简单结构和形状的产品。随着Ti-Ni合金应用范围的逐渐扩大，简单形状和结构限制了该合金的进一步利用以及器件的整体发展，需要寻找一种可以生产复杂结构和形状的Ti-Ni合金的加工方式。文章利用SEM、XRD、DSC、TEM和等轴压缩等实验手段，研究和分析了打印参数焦距补偿(FO)和速度函数(SF)对电子束增材制造(EBM)制备的Ti-Ni合金显微组织、相组成、相变行为以及压缩性能的影响。

表1展示的是通过调整SF和FO，制备的7 组Ti-Ni 合金样品，S1~S4前4组样品具有相同的SF，FO逐步提高，S2，S5~S7后三组样品具有相同的FO，SF逐步提高。

表1电子束增材制造(EBM)制备Ti-Ni合金具体参数

图1 不同EBM打印参数制备的Ti-Ni合金样品的实测密度和相对密度

图1为不同EBM打印参数制备的Ti-Ni样品的实测密度和相对密度。可以看出，所有样品的实测密度均达到6.30g/cm3以上，即相对密度均达到97.75%以上，接近完全致密化实体。说明EBM打印参数可以在很宽的调节范围内制备出相对密度较高的Ti-Ni块体，FO和SF对样品实测密度影响不大。从图2还可以看出，当SF固定为25mm/s时，随着FO增大，样品S1~S4的相对密度呈现出先增大后减小的趋势；当FO固定为15mA时，随着SF的增大，样品S2、S5~S7的相对密度也呈现出先增大后减小的趋势。

图2 Ti-Ni预合金粉末和不同EBM打印参数制备的Ti-Ni合金样品的XRD谱

图3 Ti-Ni预合金粉末和EBM制备Ti-Ni合金样品的DSC曲线

图2是Ti-Ni预合金粉末和EBM制备Ti-Ni合金样品的XRD谱，图3是Ti-Ni预合金粉末和EBM制备的Ti-Ni合金样品的DSC曲线。可以看到EBM制备Ti-Ni合金的相变温度大于所使用预合金粉末相变点的温度，改变EBM的打印参数FO和SF，对样品各相变点的影响较小，相变温度相对稳定。

图4是EBM制备Ti-Ni合金的室温压缩工程应力-应变曲线。可以看出，EBM打印参数FO和SF均对合金的压缩性能产生了重要影响，样品S5抗压缩强度最高(约2871MPa)、压缩应变最大(约38%)，比最小的样品S1分别增大约1100MPa和6%。

图4 EBM制备Ti-Ni合金样品的室温压缩应力-应变曲线

图5 EBM制备不同Ti-Ni合金样品的显微硬度及样品S5沿打印方向平面和打印平面上表面的显微硬度

图6 EBM制备不同Ti-Ni合金样品的显微组织

图5和图6分别展示了EBM制备Ti-Ni合金的Vickers硬度及EBM制备Ti-Ni合金样品S1、S5和S7压缩断口的表面形貌。由图5可以看出EBM制备参数FO和SF的改变对制备Ti-Ni合金的显微硬度的影响较小。由图6a、d和g可知，样品S5沿与加载方向成45°断裂，即最大压缩剪切力的方向(图6d)；而S1样品只有局部脱落，且断裂方向与加载方向平行(图6a)；S7样品断裂方向与加载方向之间的夹角介于S1和S5之间(图6g)。样品S1的断裂面不平整且沿压缩方向具有贯穿整个样品的大裂纹存在(图6b)，由局部放大图(图6c)可见，沿打印方向样品内部虽未发现未熔融或者半熔融的粉末，但是可以看到层间搭接不良，呈现出一定的松散状态；样品S5断裂表面平滑(图6e)且表面局部放大像(图6f)并未观察到裂纹和未熔融缺陷的存在；样品S7断裂表面局部平滑，但大部分区域与S1样品类似，呈现不平整的形貌(图6h)，从2种形貌交界处的局部放大像(图6i)可以看出，样品内部沿打印方向存在不连贯的裂纹。

图7 EBM制备Ti-Ni合金样品S5的表面形貌、显微组织和EDS分析

图8 EBM制备Ti-Ni合金样品S5显微组织的TEM像和SAED谱

为研究EBM制备Ti-Ni合金的显微组织，作者进一步对EBM制备Ti-Ni合金样品S5进行表面形貌、显微组织和EDS分析及TEM观察，如图7和图8所示。图9为EBM制备Ti-Ni合金样品的缺陷分析结果，EBM制备参数FO和SF的改变可以在Ti-Ni合金中引入不同的打印缺陷，其中裂纹缺陷使压缩力学性能大幅度降低。

图9 EBM制备Ti-Ni合金样品的缺陷分析

相关研究成果以“打印参数对电子束增材制造Ti-Ni合金性能的影响”为题发表在金属学报(2020, 56(8))上。论文的第一作者为任德春，通讯作者为金伟。

论文链接：

http://dx.doi.org/ 10.11900/0412.1961.2019.00410