选择性激光熔化成形Ti-6Al-4V的滚动接触疲劳性能研究

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选择性激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)技术是在增材制造(3D打印)领域最具有发展前景的技术,SLM成形件可不经过处理或简单处理实现工业应用,比如航空航天中的复杂薄壁件和轻量化的多孔件,医疗个性化的植入体等。随着该技术的迅猛发展,SLM必将应用于制造业的各领域。钛合金是航空航天、医疗中使用最多的材料,对SLM钛合金件的机械性能研究有很多,但大部分都是关于静态性能的,对其动态性能的研究很少。零件的动态性能数据缺少,是限制其应用的主要原因。疲劳特性研究是动态性能研究的基础。滚动接触疲劳是疲劳中常见一种形式,零件的滚动接触疲劳性能与自身的材料、制造缺陷、硬度、表面粗糙度等有关。本文对SLM成形Ti-6Al-4V样件的滚动接触疲劳性能进行了研究,包括影响因素,疲劳寿命,失效形式和失效机理,主要研究内容和结论如下:  ①研究了 SLM成形 Ti-6Al-4V样件的致密度特性,致密度达到理论密度的99.5%,接近实体密度,致密度是评价SLM件成形性能的最基本标准,对SLM成形件的机械性能影响最大,致密度越高机械性能越好。考虑到表面质量对滚动接触疲劳性能的影响,本文同时研究了SLM成形工艺对Ti-6Al-4V件表面粗糙度的影响,结果表明能量密度是表面粗糙度的主要影响因素,提出了Ti-6Al-4V件的表面粗糙度后处理改进措施,结果表明抛光处理显著提高了SLM件的表面质量。  ②考虑硬度对滚动接触疲劳性能的影响,研究了SLM成形Ti-6Al-4V样件热处理前后的显微硬度。对SLM成形Ti-6Al-4V样件热处理前后的显微硬度进行测试,并和相应同牌号锻件的硬度进行了比较:SLM件的显微硬度373HV,热处理后提高至403.3HV,高于锻件硬度值(ASTM B381-2010,340~395HV)。研究了SLM成形Ti-6Al-4V件机械性能,对SLM成形Ti-6Al-4V件进行常温拉伸试验,得到拉伸强度1286 MPa和延伸率8.3%;拉伸强度高于传统铸锻件,延伸率低于传统铸锻件;SLM成形Ti-6Al-4V件的断口形貌分析表明断裂类型为是韧性断裂,断裂的主要原因是样件内部存在未熔粉、孔洞等工艺缺陷。  ③研究了 SLM成形 Ti-6Al-4V件不同后处理形式的滚动接触疲劳性能。对SLM成形 Ti-6Al-4V件滚动疲劳测试件进行后处理,将测试样件分为不处理组、抛光组、热处理组和热处理+抛光组,分别测试四组件的滚动疲劳寿命发现:不处理的 SLM件寿命最低,热处理件、抛光件的疲劳寿命显著提高,热处理+抛光件的滚动接触疲劳寿命最高。  ④将SLM件和锻件的滚动接触疲劳性能测试进行了对比,结果表明,SLM工艺性能优于锻造工艺,改善了钛合金的抗磨损和微动疲劳性能,提高了钛合金的滚动接触疲劳寿命;研究后处理对SLM件的滚动接触疲劳寿命影响发现,致密度、显微硬度、表面粗糙度是影响SLM件滚动接触疲劳寿命的主要因素。  ⑤对SLM成形Ti-6Al-4V滚动疲劳测试的失效表面进行分析,结果表明:不处理的SLM件失效形式主要是表面缺陷和残余应力引起的裂纹;热处理件的失效形式是粗糙度和硬度引起的犁沟;抛光件和热处理+抛光件的失效形式类似,分别是剥落和点蚀,失效原因是内部工艺缺陷如孔洞等,这两组的失效形式和机理与传统件的最相近。
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