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    增材制造技术试验件力学性能探讨

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    钛及其合金最早出现在1950年代,是航空航天等行业最重要的材料之一。力学性能决定了材料的使用范围。所以,当一项新材料诞生时,对它的力学性能的研究也就随之开始了。增材制造是目前快速增长的新兴技术之一。目前主流的增材制造技术包括ElectronBeamMelting(EBM)、DirectMetalDeposition(DMD)和WireandArcAdditivelyManufacture(WAAM)等。由于增材制造还处于发展阶段,其力学性能还未被完全研究清楚,因此也没有一套较为系统的材料标准。在这种情况下,本文对增材制造Ti-6Al-4V材料的力学性能进行研究。

    一、静强度性能研究

    针对传统制造技术的Ti-6Al-4V材料标准较为完善,针对增材制造技术的材料标准尚在建立过程中。2002年,SAE颁布了使用DMD制造Ti-6Al-4V材料的标准AMS4999。与上述传统材料标准不同的是鉴于增材制造技术的特点,在不同的材料方向上提出了不同的要求。ASTM亦在2012年颁布主要针对使用粉末铺层聚变技术的Ti-6Al-4V材料标准ASTMF2924。以上材料标准中要求的最小屈服强度和极限强度要求对比如图1所示。增材制造技术按照能量源通常为电子束、激光和电弧。材料的原始状态为粉末或丝线。大量研究证明使用增材制造技术生产的试验件在屈服强度和极限强度上均满足现有的标准材料要求。同时由于增材制造的特点,在材料堆积方向(Z方向)上的力学性能通常要小于其他两个方向,Svensson、Alcisto和Lorant等人的研究数据可以充分反映这一特点。但值得注意的是,Svensson所研究的EBM(ElectronBeamMelting)技术在材料各个方向上的差异较小,所以材料可以被认为是各向同性的。同时研究还表明,制造完毕的后期处理和加工对静强度性能的改变各不相同。HIP(HotIsostaticPressing)是一种在安全壳中使用高温和高压气体对试验件进行处理的技术,它有助于去除材料的多孔性,提高材料密度。Svensson使用该技术对试验件进行处理,试验件的经强度性能没有明显变化,这可能与EBM制造过程中未产生大量气孔有关。而Alcisto对使用DMD(DirectMetalDeposition)技术制造的试验件进行机加处理后其静强度明显提高。疲劳强度性能研究疲劳强度性能是材料的另一重要指标,关系到结构的安全性和经济性。通常疲劳强度的通绘制的S-N曲线体现。现有的研究结果表明,使用增材制造技术制造的试验件与使用传统制造技术制造的试验件具有相近的疲劳强度。Svensson对使用EBM技术制造的Ti-6Al-4V试验件疲劳性能的试验结果,经过HIP处理的试验件具有更长的疲劳寿命。通过与公开数据的对比,使用EBM技术制造的Ti-6Al-4V试验件与锻件具有相近的疲劳强度。

    二、断裂韧性研究断裂韧性的测定要求

    试验件处于平面应变条件下进行,这要求试验件具有足够的厚度,而试验件中的氧含量对断裂韧性具有较大的影响力。增材制造过程中因为产生高温,材料再成形过程中会与空气中的氧气发生反映,因此对制造过程中对周围环境氧气含量的控制是控制要素之一。ASTME399规定了测定断裂韧性的标准程序,MMPDS指出Ti-6Al-4V的断裂韧性下限为65.4MPa*m0.5,平均值为75MPa*m0.5。但与静强度性能而言,对于使用增材制造技术试验件的断裂韧性研究十分有限,这也是后期研究的主要内容之一。Hooreweder对使用SLM技术的Ti-6Al-4V试验件进行断裂韧性试验,同时测定一组使用真空电弧再融化技术的试验件作为对比。试验结果表明,使用SLM技术的试验件的断裂韧性为52.4MPa*m0.5,对比组的断裂韧性为69.98MPa*m0.5。此试验结果反映出使用SLM技术制造的试验件的断裂韧性较平均值低,Hooreweder认为这是由含有尖锐尖端的马氏体组成的脆弱且不稳定的围观结构决定的。Lorant对使用WAAM技术制造试验件的断裂韧性进行试验,试验的平均断裂韧性为77.9MPa*m0.5。然而次研究中试验件的厚度只有5mm,经过测算试验件未处于平面应变状态。因此其真实的断裂韧性应低于此值。

    结语

    本文分别从静强度、疲劳强度和断裂韧性三个方面对增材制造试验件的力学性能进行研究。研究表明,使用增材制造技术制造的试验件与使用传统技术生产的试验件具有相近的力学性能。同时由于其技术特点,材料各项同性、制造环境控制等方面又具有自己的特点,这是在进一步研究和投入使用过程中需要特别注意和进一步研究的。

    作者:刘世杰

    航天制造技术杂志责任编辑:张雨    阅读:人次