增材制造技術(shù)試驗件力學(xué)性能探討范文

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鈦及其合金最早出現(xiàn)在1950年代，是航空航天等行業(yè)最重要的材料之一。力學(xué)性能決定了材料的使用范圍。所以，當(dāng)一項新材料誕生時，對它的力學(xué)性能的研究也就隨之開始了。增材制造是目前快速增長的新興技術(shù)之一。目前主流的增材制造技術(shù)包括ElectronBeamMelting（EBM）、DirectMetalDeposition（DMD）和WireandArcAdditivelyManufacture（WAAM）等。由于增材制造還處于發(fā)展階段，其力學(xué)性能還未被完全研究清楚，因此也沒有一套較為系統(tǒng)的材料標(biāo)準(zhǔn)。在這種情況下，本文對增材制造Ti－6Al－4V材料的力學(xué)性能進(jìn)行研究。

一、靜強(qiáng)度性能研究

針對傳統(tǒng)制造技術(shù)的Ti－6Al－4V材料標(biāo)準(zhǔn)較為完善，針對增材制造技術(shù)的材料標(biāo)準(zhǔn)尚在建立過程中。2002年，SAE頒布了使用DMD制造Ti－6Al－4V材料的標(biāo)準(zhǔn)AMS4999。與上述傳統(tǒng)材料標(biāo)準(zhǔn)不同的是鑒于增材制造技術(shù)的特點(diǎn)，在不同的材料方向上提出了不同的要求。ASTM亦在2012年頒布主要針對使用粉末鋪層聚變技術(shù)的Ti－6Al－4V材料標(biāo)準(zhǔn)ASTMF2924。以上材料標(biāo)準(zhǔn)中要求的最小屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度要求對比如圖1所示。增材制造技術(shù)按照能量源通常為電子束、激光和電弧。材料的原始狀態(tài)為粉末或絲線。大量研究證明使用增材制造技術(shù)生產(chǎn)的試驗件在屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度上均滿足現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)材料要求。同時由于增材制造的特點(diǎn)，在材料堆積方向（Z方向）上的力學(xué)性能通常要小于其他兩個方向，Svensson、Alcisto和Lorant等人的研究數(shù)據(jù)可以充分反映這一特點(diǎn)。但值得注意的是，Svensson所研究的EBM（ElectronBeamMelting）技術(shù)在材料各個方向上的差異較小，所以材料可以被認(rèn)為是各向同性的。同時研究還表明，制造完畢的后期處理和加工對靜強(qiáng)度性能的改變各不相同。HIP（HotIsostaticPressing）是一種在安全殼中使用高溫和高壓氣體對試驗件進(jìn)行處理的技術(shù)，它有助于去除材料的多孔性，提高材料密度。Svensson使用該技術(shù)對試驗件進(jìn)行處理，試驗件的經(jīng)強(qiáng)度性能沒有明顯變化，這可能與EBM制造過程中未產(chǎn)生大量氣孔有關(guān)。而Alcisto對使用DMD（DirectMetalDeposition）技術(shù)制造的試驗件進(jìn)行機(jī)加處理后其靜強(qiáng)度明顯提高。疲勞強(qiáng)度性能研究疲勞強(qiáng)度性能是材料的另一重要指標(biāo)，關(guān)系到結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。通常疲勞強(qiáng)度的通繪制的S－N曲線體現(xiàn)。現(xiàn)有的研究結(jié)果表明，使用增材制造技術(shù)制造的試驗件與使用傳統(tǒng)制造技術(shù)制造的試驗件具有相近的疲勞強(qiáng)度。Svensson對使用EBM技術(shù)制造的Ti－6Al－4V試驗件疲勞性能的試驗結(jié)果，經(jīng)過HIP處理的試驗件具有更長的疲勞壽命。通過與公開數(shù)據(jù)的對比，使用EBM技術(shù)制造的Ti－6Al－4V試驗件與鍛件具有相近的疲勞強(qiáng)度。

二、斷裂韌性研究斷裂韌性的測定要求

試驗件處于平面應(yīng)變條件下進(jìn)行，這要求試驗件具有足夠的厚度，而試驗件中的氧含量對斷裂韌性具有較大的影響力。增材制造過程中因為產(chǎn)生高溫，材料再成形過程中會與空氣中的氧氣發(fā)生反映，因此對制造過程中對周圍環(huán)境氧氣含量的控制是控制要素之一。ASTME399規(guī)定了測定斷裂韌性的標(biāo)準(zhǔn)程序，MMPDS指出Ti－6Al－4V的斷裂韌性下限為65.4MPa*m0.5，平均值為75MPa*m0.5。但與靜強(qiáng)度性能而言，對于使用增材制造技術(shù)試驗件的斷裂韌性研究十分有限，這也是后期研究的主要內(nèi)容之一。Hooreweder對使用SLM技術(shù)的Ti－6Al－4V試驗件進(jìn)行斷裂韌性試驗，同時測定一組使用真空電弧再融化技術(shù)的試驗件作為對比。試驗結(jié)果表明，使用SLM技術(shù)的試驗件的斷裂韌性為52.4MPa*m0.5，對比組的斷裂韌性為69.98MPa*m0.5。此試驗結(jié)果反映出使用SLM技術(shù)制造的試驗件的斷裂韌性較平均值低，Hooreweder認(rèn)為這是由含有尖銳尖端的馬氏體組成的脆弱且不穩(wěn)定的圍觀結(jié)構(gòu)決定的。Lorant對使用WAAM技術(shù)制造試驗件的斷裂韌性進(jìn)行試驗，試驗的平均斷裂韌性為77.9MPa*m0.5。然而次研究中試驗件的厚度只有5mm，經(jīng)過測算試驗件未處于平面應(yīng)變狀態(tài)。因此其真實(shí)的斷裂韌性應(yīng)低于此值。

結(jié)語

本文分別從靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和斷裂韌性三個方面對增材制造試驗件的力學(xué)性能進(jìn)行研究。研究表明，使用增材制造技術(shù)制造的試驗件與使用傳統(tǒng)技術(shù)生產(chǎn)的試驗件具有相近的力學(xué)性能。同時由于其技術(shù)特點(diǎn)，材料各項同性、制造環(huán)境控制等方面又具有自己的特點(diǎn)，這是在進(jìn)一步研究和投入使用過程中需要特別注意和進(jìn)一步研究的。

作者：劉世杰