引言
鈦合金材料具有密度低、比強高、抗腐蝕、抗氧化、耐高溫和生物兼容性好等優(yōu)點(diǎn)[1],因此廣泛用于軌道交通[２]、航空航天[3]、生物醫藥[4]等領(lǐng)域。隨著(zhù)3D打印技術(shù)的不斷進(jìn)步,增材制造工藝已用于制造航空發(fā)動(dòng)機燃油噴嘴[5]和壓氣機葉片[6]等鈦合金零件的制造。增材制造鈦合金零件在尺寸精度、表面質(zhì)量和疲勞性能等方面與“鍛造＋減材”方式所得零部件尚有差距,因此3D打印的鈦合金零部件尚無(wú)法直接使用[7]。
激光選區熔化和激光熔化沉積是成形鈦合金構件的兩種主要工藝[８]。激光選區熔化(selecＧtivelasermelting,SLM)技術(shù)采用高能激光束連續選擇性熔化粉床中的金屬粉層,逐層疊加成形構件,具有加工周期短、材料利用率高、可實(shí)現復雜結構等優(yōu)勢,是廣泛應用的金屬增材制造技術(shù)之一[9]。國內外學(xué)者對SLM鈦合金材料進(jìn)行了積極的研究。XU等[10]發(fā)現TC4鈦合金SLM成形試樣的屈服強度超過(guò)1100MPa,延伸率為11.4％,靜態(tài)力學(xué)性能優(yōu)于傳統鍛造的TC4鈦合金。董登科等[11]發(fā)現TC4鈦合金SLM成形件的表面粗糙度值為5.57~8.05μm。李淮陽(yáng)等[12]對激光選區熔化金屬表面的成形質(zhì)量控制進(jìn)行研究,發(fā)現增材制造過(guò)程產(chǎn)生的較大殘余應力會(huì )導致成形件出現翹曲變形,且內部缺陷等問(wèn)題會(huì )導致成形件的尺寸精度和形狀精度過(guò)低。
KASPEROVICH等[13]研究了熱處理工藝對SLM成形TC4鈦合金疲勞性能的影響,發(fā)現退火處理雖然能提升成形件的疲勞性能但遠達不到鍛件水平。QIAN等[14]對比SLM技術(shù)制備TC4試樣和鍛造試件的疲勞性能,發(fā)現增材制造鈦合金試樣的內部孔隙等顯微缺陷導致其疲勞壽命低于鍛造試樣的疲勞壽命,且疲勞壽命的分散性更大。綜上所述,SLM技術(shù)成形的TC4鈦合金件雖然力學(xué)性能較好,但成形件表面質(zhì)量差、尺寸精度低、抗疲勞性能不足,容易在交變載荷下產(chǎn)生疲勞破壞,縮短構件服役壽命,無(wú)法直接滿(mǎn)足零件裝配和使用的要求,通常需要進(jìn)行后處理。
常用的金屬件增材后處理方法有磨削、拋光、噴丸、熱等靜壓、時(shí)效處理。馮抗屯等[15]研究了陶瓷丸噴丸強化對激光增材制造TC18鈦合金疲勞性能的影響,發(fā)現噴丸強化能增大殘余壓應力和硬度,提高疲勞性能。李曉丹等[16]發(fā)現采用HNO3ＧHF拋光液對增材制造鈦合金零件進(jìn)行化學(xué)拋光后,試件表面粗糙度明顯降低,耐腐蝕性能和疲勞性能顯著(zhù)提高。YU等[17]發(fā)現與８50℃和9２0℃下的時(shí)效處理相比,熱等靜壓處理增材件后的疲勞性能更好。BENEDETTI等[1８]發(fā)現增材件內部的空洞在一定程度上會(huì )促進(jìn)裂紋的萌生與擴展,通過(guò)熱等靜壓處理可以減少TC4鈦合金增材成形試樣中的孔洞缺陷,進(jìn)而提高了材料的高周疲勞性能。上述后處理工藝雖然可以改善增材件的表面質(zhì)量進(jìn)而提高疲勞性能,但無(wú)法提高成形件的尺寸精度。對增材件表面進(jìn)行微銑削加工不僅可以消除增材制造中逐層堆積成形的“臺階效應”、提高成形件的尺寸精度,而且能夠改善表面完整性、調控表面殘余應力分布。POLＧISHETTY等[19]分別對TC4鈦合金增材件和鍛件進(jìn)行銑削加工,并對比了兩種試件的銑削力和銑削加工后的表面粗糙度,發(fā)現TC4鈦合金SLM成形件的銑削力比鍛件的銑削力大,銑削后的SLM成形件的表面粗糙度比鍛件的表面粗糙度低。章媛潔等[２0]對比了SLM增材成形件銑削前后的表面粗糙度和殘余應力,發(fā)現銑削加工后的表面粗糙度顯著(zhù)降低,由10μm下降到1μm,且銑削加工使增材件表面殘余拉應力轉為壓應力。雖然國內外學(xué)者開(kāi)始對基于“SLM＋微銑削”的鈦合金增減材復合制造工藝展開(kāi)研究,但對銑削減材工藝改善增材件表面完整性及強化疲勞性能的機理研究較少,成形工藝、加工表面完整性、疲勞性能三者的映射關(guān)系仍缺乏理論研究。
本文以TC4鈦合金粉末為原料,制備TC4鈦合金SLM成形件,通過(guò)正交銑削實(shí)驗和常溫三點(diǎn)彎曲高周疲勞實(shí)驗對比分析TC4鈦合金SLM成形件銑削前后的表面完整性與疲勞性能,探討銑削工藝參數對表面完整性和疲勞性能的影響規律,研究銑削減材工藝對TC4鈦合金SLM成形件疲勞性能的強化機理。
1、實(shí)驗
1.1 實(shí)驗設備與材料
實(shí)驗選用SLM增材制造設備IGAMＧI、數控銑床XK71２4、拉扭復合疲勞試驗機INSTRONＧE10000。實(shí)驗材料為T(mén)C4鈦合金粉末(粒徑范圍為15~53μm),其化學(xué)成分如表1所示。成形工藝參數為:激光功率280W,掃描間距0.14mm,層厚30μm,掃描速度1200mm/s。制備得到的塊狀TiＧ6AlＧ4V樣品尺寸為70mm×60mm×30mm。為綜合評價(jià)SLM樣品的銑削加工表面完整性,選取TC4鈦合金鍛件作為對比材料。
SLM成形件和鍛件的物理力學(xué)性能如表２所示。
1.２實(shí)驗方案
1.２.1銑削實(shí)驗
鈦合金是難切削材料,而TiAlN涂層刀具可有效提高刀具硬度,降低摩擦和改善刀具高溫熱穩定性,延長(cháng)刀具壽命,所以選用TiAlN涂層硬質(zhì)合金立銑刀SPFＧ3.5Ｇ4FＧ4DＧ50L,其涂層厚度為3~5μm,刃徑為3.5mm,螺旋角為5８°,齒數為4。順銑可以提高刀具耐用度和工件表面質(zhì)量,所以實(shí)驗采用順銑。為更好地測量切削溫度,實(shí)驗采取干切削的方式。以銑削速度、每齒進(jìn)給量和銑削深度為可變因素設計正交試驗,研究TC4鈦合金銑削參數對試件表面完整性(表面粗糙度、表面硬度)及疲勞性能的影響規律。SLM成形件存在各向異性,因此對垂直于成形方向的平面和平行于成形方向的平面進(jìn)行相同參數的銑削,并測量其結果。激光選區熔化中成形方向為Z向,垂直于成形方向的平面設為成形件的m面(OXY平面),平行于成形方向的平面設為成形件的n面(OYZ平面),如圖1所示,虛線(xiàn)箭頭為激光掃描方向,代表激光對單道鈦合金粉末進(jìn)行掃描時(shí)的激光移動(dòng)軌跡。銑削實(shí)驗中,銑削寬度為２.5mm,其他的銑削參數如表3所示。
由于銑削力和銑削熱會(huì )影響加工表面的完整性,因此在銑削實(shí)驗過(guò)程中對不同銑削參數下的銑削力和銑削溫度進(jìn)行測量。為避免銑削實(shí)驗的偶然性,每組實(shí)驗重復4次,取平均值作為最后結果。如圖２所示,使用定制夾具將TC4鈦合金SLM成形件樣品固定在測力儀上。使用KistlerＧ9２75B力測量系統獲取銑削過(guò)程中的切削力信號,以濾波后力信號的平均值為銑削力。將FLIRＧT1040紅外熱成像儀測量的銑刀刀尖附近切削區域的平均溫度作為銑削溫度。
使用便攜式手持粗糙度儀TimeＧ3２00測量銑削前后試件的表面粗糙度Ra,使用設定參數銑削加工后,在銑削表面沿垂直于線(xiàn)速度的方向進(jìn)行測量,每個(gè)面選取5個(gè)點(diǎn)測量表面粗糙度,將它們的算數平均值作為該加工表面的粗糙度。使用維氏顯微硬度計HVSＧ1000Z測量銑削前后試件的表面硬度(載荷為9.８N,保壓時(shí)間為15s),不同參數下銑削后,每個(gè)面選取3個(gè)點(diǎn)測量硬度,取它們的算數平均值為該加工表面的硬度。
1.２.２疲勞實(shí)驗
使用疲勞試驗機測試TC4鈦合金SLM成形件銑削后的疲勞壽命,并將其與未經(jīng)銑削減材的增材件進(jìn)行對比。實(shí)驗采用室溫三點(diǎn)彎曲疲勞實(shí)驗,如圖3所示。疲勞試樣尺寸為36mm×10mm×5mm,試樣受拉斷裂的表面尺寸為36mm×10mm。
由于增材件存在各向異性,所以制備該斷裂表面垂直和平行于成形方向的SLM疲勞試樣進(jìn)行表面銑削加工,并測量試件銑削前后的疲勞壽命。為體現增材制造工藝和傳統制造工藝成形鈦合金的性能差異,本次試驗還選取鍛造成形的TC4鈦合金作為參考組。受拉斷裂表面垂直于成形方向的疲勞試樣記為垂直試樣,銑削加工面為m面;受拉斷裂表面平行于成形方向的疲勞試樣記為平行試樣,銑削加工面為n面,如圖4所示。測試SLM疲勞試樣的疲勞壽命時(shí),將m面或n面朝下放置。高周疲勞實(shí)驗采用應力控制,交變應力的最大值應低于增材制造TC4鈦合金的屈服極限(σs＝103８MPa)?？紤]到傳統鍛造TC4鈦合金的疲勞強度為400MPa,因此以最大壓應力1010MPa、８90MPa、770Pa、650MPa、530MPa、410MPa的正弦波載荷(加載頻率為15Hz,應力比為0.1)施加到銑削后的TC4鈦合金SLM成形件,測試一直進(jìn)行到試件斷裂為止。
用3個(gè)樣本的破壞循環(huán)次數平均值表征試件的疲勞壽命,并繪制SＧN疲勞曲線(xiàn)。用掃描電鏡QuantaＧFEG２50觀(guān)察疲勞斷口形貌,分析疲勞裂紋萌生及擴展規律。
２、結果與分析
２.1銑削工藝對SLM成形件表面完整性的影響
表4所示為T(mén)C4鈦合金鍛件和SLM成形件表面銑削前后的表面粗糙度,其中的數字1~9對應表3的實(shí)驗序號件。SLM成形件不同表面的粗糙度差異不大,SLM成形件m面、n面銑削前的表面粗糙度Ra都在1２μm以上,遠高于鍛件的3.２μm。銑削后,SLM成形件的表面粗糙度大幅度減小,粗糙度平均值為0.70μm,而鍛件銑削后的表面粗糙度平均值為0.91μm。增材件的表面質(zhì)量改善效果比鍛件略好。因為銑削加工時(shí),不同硬度的表面受刀具擠壓會(huì )產(chǎn)生不同程度的平面加工痕跡,低硬度材料平面的刀痕會(huì )更深,鍛件的硬度小于SLM成形件的硬度,所以鍛件表面粗糙度略大。
對表4中不同表面銑削后的表面粗糙度進(jìn)行極差分析,并根據極差分析結果繪制TC4鈦合金鍛件和SLM成形件的銑削因素對表面粗糙度的影響趨勢圖。由圖5可知,鍛件和SLM成形件不同表面的變化曲線(xiàn)相似,表面粗糙度與每齒進(jìn)給量、銑削深度和銑削速度都正相關(guān)。表面粗糙度與加工表面殘留面積高度正相關(guān),殘留面積高度與每齒進(jìn)給量的平方成正比。每齒進(jìn)給量增大時(shí),加工表面殘留面積高度成比例增大,表面粗糙度也不斷增大。軸向切深增大時(shí),單位時(shí)間內TC4鈦合金材料的切削面積擴大,這會(huì )加劇切削力的波動(dòng),導致試件表面粗糙度增大。隨著(zhù)銑削速度的增加,銑削溫度升高,材料軟化發(fā)生塑性流動(dòng)會(huì )涂抹黏附在試件表面,對表面質(zhì)量產(chǎn)生不良影響,試件表面粗糙度也增大。
表5所示為T(mén)C4鈦合金鍛件和SLM成形件不同表面銑削前后的表面硬度,其中的數字1~9對應表3的實(shí)驗序號件。銑削前,SLM成形件m面、n面的表面硬度分別為353HV和346HV,都高于鍛件硬度3２８HV。不同銑削參數加工后,SLM成形件的表面均產(chǎn)生加工硬化,其中,側面硬化最顯著(zhù),表面硬度為390.２HV~436.3HV,
平均值為405.0HV。這是因為銑削加工過(guò)程中,表面材料受到刀具擠壓與摩擦會(huì )發(fā)生塑性變形,晶粒發(fā)生滑移,金屬的位錯密度增大,位錯間的交互作用增強,出現位錯的纏結,加工表面的晶粒發(fā)生強烈的扭曲與破碎,阻礙金屬的進(jìn)一步變形。
銑削力和銑削熱共同作用于金屬加工表層,產(chǎn)生強化效應,硬度增大。如表5所示,對不同表面銑削后的表面硬度進(jìn)行極差分析,并根據極差分析結果繪制TC4鈦合金鍛件和SLM成形件的銑削因素對表面硬度的影響趨勢圖(圖6)。
如圖6a所示,鍛件和SLM成形件不同表面的變化曲線(xiàn)相似,每齒進(jìn)給量從0.0２mm增大至0.06mm時(shí),試件加工表面硬度呈現先減小后增大的變化趨勢;每齒進(jìn)給量為0.04mm時(shí),表面硬度達到最小值,其中,SLM成形件m面為397.８HV,n面為406.6HV,鍛件為376.6HV。
表面硬度之所以出現先減小后增大的變化趨勢,是因為當每齒進(jìn)給量改變時(shí),材料的部分特性同時(shí)發(fā)生變化并作用于試件表面,影響表面硬度。隨著(zhù)每齒進(jìn)給量的不斷增大,晶格會(huì )發(fā)生更加劇烈的畸變和塑性變形,材料的塑性硬化效應增強,產(chǎn)生表面加工硬化。每齒進(jìn)給量增大時(shí),銑削加工時(shí)的溫度會(huì )急劇上升,使TC4鈦合金發(fā)生軟化。熱軟化效應和塑性硬化效應共同作用于試件表面,熱軟化效應占主導地位時(shí),試件的表面硬度呈現減小的趨勢;塑性硬化效應占主導地位時(shí),試件的表面硬度呈現增大的趨勢。
如圖6b所示,軸向切深從0.1mm增大至0.3mm時(shí),試件加工表面硬度呈現出先增大后減小的趨勢,切削深度0.２mm的表面硬度最大,但軸向切深增大時(shí)的表面硬度總體上呈現出增大的趨勢。這是因為隨著(zhù)切削深度的增大,刀具磨損加劇,后刀面與材料表面的摩擦加大,塑性硬化效應增強。切削深度的增加會(huì )使試件與刀具之間的切削區產(chǎn)生大量的熱,試件來(lái)不及傳遞熱量就表現為溫度升高,高溫下的試件表面發(fā)生軟化,從而削弱加工硬化效應。塑性硬化效應和高溫軟化效應交替主導作用在TC4鈦合金的表面,使得表面硬度隨著(zhù)切削深度的增大而波動(dòng)。
如圖6c所示,銑削速度從40m/min增加至60m/min時(shí),試件的表面硬度呈現增大的趨勢。
銑削速度增大時(shí),加工試件表面的塑性變形程度和應變速率也在不斷增大,使得表面塑性變形產(chǎn)生的強化增強。此外銑削速度增大時(shí),銑削溫度會(huì )急劇上升,鈦合金中的鈦元素在高溫時(shí)易與空氣中的氮、氧等元素反應,并在試件表面形成脆硬氧化物層,從而提高表面硬度[２1]。
銑削加工過(guò)程中,表面粗糙度和表面硬度的變化與切削力、切削溫度和材料結構等因素有很大關(guān)系。銑削工藝參數對表面粗糙度和表面硬度的影響歸根結底是銑削加工過(guò)程中的銑削力和銑削熱相互作用于試件表面的結果。因此對銑削實(shí)驗中采集的銑削力和銑削溫度結果進(jìn)行極差分析,并根據極差分析結果繪制銑削因素對銑削力和銑削溫度的變化趨勢圖。
由圖7可知,軸向切深對銑削力影響最大,銑削力隨著(zhù)軸向切深、每齒進(jìn)給量的增大均呈現增大的趨勢;隨著(zhù)銑削速度的增大,銑削力呈現先減小后增大的趨勢。這是因為在切削寬度不變的條件下,切削層的橫截面積隨銑削深度的增大而成比例地增大,這意味著(zhù)材料去除需要的能量增大,所以銑削力顯著(zhù)增大。每齒進(jìn)給量增大時(shí),單位時(shí)間內材料的去除率不斷增大,刀具切除試件所需要的銑削力增大。每齒進(jìn)給量增大時(shí),刀具前刀面上的法向壓力和平均正應力不斷增大,但前刀面的摩擦因數會(huì )減小,這意味著(zhù)切削時(shí)試件的塑性變形程度降低,所以每齒進(jìn)給量對銑削力的影響程度小于軸向切深。鈦合金的熱導率小,所以隨著(zhù)銑削速度的增加,切削區域的溫度急劇升高。鈦合金在高溫下會(huì )發(fā)生軟化現象,去除材料所需的能量減少,表現為銑削力減小。隨著(zhù)銑削速度的不斷增大,溫度上升,鈦合金的黏連性加強,部分切屑黏結在刀具表面,影響排屑,摩擦力增大并造成動(dòng)態(tài)切削力的增大,銑削力呈增大的趨勢。
由圖８可知,銑削速度對銑削溫度影響最大,銑削速度隨著(zhù)軸向切深、每齒進(jìn)給量和銑削速度的增大均呈現升高的趨勢。這是因為鈦合金熱導率較小,短時(shí)間內銑削速度的提高會(huì )增加銑刀前刀面和切屑底層之間的摩擦,導致摩擦熱增加,從而使切削熱增加,銑削溫度顯著(zhù)升高。每齒進(jìn)給量增大時(shí),單位時(shí)間內的切除量增多,切削熱急劇增大,銑削溫度上升。銑削深度增大時(shí),切削區域產(chǎn)生的熱量增加,銑削溫度升高,但切削刃的工作長(cháng)度成正比地增加,改善了散熱條件,所以溫度上升幅度小。
在設置好的工藝參數下銑削試件時(shí),刀具與加工表面發(fā)生交互作用從而產(chǎn)生銑削力和銑削溫度,在力Ｇ熱耦合作用下,試件的表面完整性特征改變。由圖7、圖８可知,每齒進(jìn)給量、銑削深度和銑削深度的增大都會(huì )引起銑削力的增大和銑削溫度的上升。銑削力的增大會(huì )增大試件的表面粗糙度。銑削溫度的升高會(huì )使鈦合金軟化,軟化材料在銑削過(guò)程中產(chǎn)生塑性流動(dòng)并黏附在已加工試件表面,對表面質(zhì)量產(chǎn)生不良影響,所以表面粗糙度也隨銑削溫度的升高而增大。銑削力和銑削溫度的共同作用使得表面粗糙度隨銑削工藝參數的增大而增大。表面硬度在每齒進(jìn)給量、軸向切深、銑削速度增大時(shí)的變化趨勢不同,是因為表面硬度的變化受軟化效應和塑性硬化效應的綜合影響,即軟化效應為主導因素時(shí),表面硬度降低;塑性硬化效應為主導因素時(shí),表面硬度提高。
SLM成形件銑削后的表面粗糙度顯著(zhù)減小,最小值為0.3２μm,表面硬度略有提高,最大值為436.3HV,表面完整性得到了極大的改善。
２.２銑削工藝對SLM成形件疲勞性能的影響
圖9所示為應力比0.1、最大應力650MPa時(shí),TC4鈦合金鍛件和SLM成形件試樣在軸向切深0.２mm、銑削速度60m/min、每齒進(jìn)給量0.0２mm銑削前后的疲勞壽命。由圖9可知,銑削前,SLM成形的垂直試樣、平行試樣的疲勞壽命分別為4８２7２周次和40047周次,都遠低于鍛件的疲勞壽命756２4周次。銑削后,SLM成形件的疲勞壽命都大幅度提高,其中,垂直試樣的疲勞壽命最高,為155463周次,增加了２.２倍,鍛件銑的疲勞壽命為99439周次,增材件的疲勞性能提升效果比鍛件顯著(zhù)。疲勞壽命與加工表面完整性密切相關(guān),SLM成形件銑削后的表面粗糙度減小了96％,表面硬度提高了２6％,表面完整性改善效果顯著(zhù),因此疲勞壽命得到極大地延長(cháng)。
在滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)要求的前提下,鍛造溫度、鍛造變形量等工藝參數會(huì )影響TC4鈦合金鍛件的組織結構和表面質(zhì)量,鈦合金鍛件的疲勞性能也因此會(huì )存在差異。為更全面地對比TC4鈦合金鍛件和銑削后的SLM成形件的SＧN曲線(xiàn),收集了國內TC4鍛件疲勞性能的研究數據[10,17],得到鍛件SＧN范圍域,如圖10所示。由圖10可知,銑削后的SLM成形件在不同應力載荷下的疲勞壽命均可達到鍛件水平。應力大于770MPa時(shí),銑削后SLM成形件的疲勞壽命接近鍛件的最大值。應力小于770MPa時(shí),銑削后SLM成形件的疲勞壽命雖遠低于鍛件的最大值,但略大于鍛件疲勞壽命的最小值。SLM成形件銑削后的疲勞曲線(xiàn)變化趨勢與傳統鍛件相似,均為連續下降型,循環(huán)106周次前,應力快速減小,循環(huán)106周次后,應力緩慢減小。SLM成形件銑削后的疲勞強度為410MPa,略高于普通鍛件的疲勞強度400MPa。
銑削后的SLM成形件表面完整性改善效果顯著(zhù),疲勞壽命大幅度提高,可達到傳統鍛件水平,疲勞強度為410MPa,略高于普通鍛件。
２.3銑削工藝對SLM成形件疲勞性能的強化機理
疲勞斷口主要由疲勞源區、裂紋擴展區和瞬斷區組成[22],圖11所示為軸向切深0.２mm、銑削速度60m/min、每齒進(jìn)給量0.0２mm銑削后,SLM成形的垂直試樣的斷口形貌。疲勞源區是疲勞裂紋的萌生地,一般位于試件的表面。在圖11中的疲勞源區可以發(fā)現1個(gè)疲勞源。裂紋擴展區是疲勞源區的延續,能看到貝紋線(xiàn),每組貝紋線(xiàn)都是以疲勞源為圓心的平行弧線(xiàn),弧線(xiàn)的凹側指向疲勞源,弧線(xiàn)的凸側指向裂紋擴展方向。瞬斷區也稱(chēng)粗粒區,表面比較粗糙,存在大量粗粒。
圖12所示為軸向切深0.２mm、銑削速度60m/min、每齒進(jìn)給量0.0２mm銑削前后的SLM垂直試樣和銑削后鍛件的試樣疲勞斷口不同區域的形貌。
由圖1２a可知,銑削前的SLM成形件存在多個(gè)萌生于試件表面及次表面的疲勞源,而多個(gè)疲勞源會(huì )顯著(zhù)縮短試件的疲勞壽命。SLM成形件表面比較粗糙,表面的微觀(guān)溝痕較深,易產(chǎn)生表面應力集中,試件表面在高循環(huán)應力載荷作用下易萌生裂紋。SLM成形過(guò)程中,金屬發(fā)生瞬態(tài)熔凝,試件的表面及次表面易產(chǎn)生氣孔、熔合不良等缺陷,而這些缺陷極易成為疲勞源,因此可以發(fā)現疲勞裂紋起源于試件表面及距表面100~２00μm的近球形凹坑處。
由圖1２b可知,銑削后的SLM成形件疲勞源由多個(gè)變?yōu)橐粋€(gè),且萌生位置轉移靠近試件中心的區域。產(chǎn)生這些變化的主要原因為:①銑削加工過(guò)程中,在切削力、切削熱的耦合作用下,表層鈦合金的晶格發(fā)生扭曲畸變,表層組織細化,位錯密度增加,位錯間的交互作用增強,出現大量位錯的纏結,導致試件表層的晶粒細化。細化的表層晶?？梢蕴岣呋菩巫兛沽?抑制表層循環(huán)滑移帶的形成和開(kāi)裂。②銑削加工降低了試件表面粗糙度,避免試件表面產(chǎn)生嚴重的應力集中,延緩裂紋表面形核。③銑削加工時(shí),表面的鈦合金受到刀具擠壓與摩擦,發(fā)生塑性變形,加工表面的晶粒發(fā)生強烈的扭曲與破碎,阻礙金屬的進(jìn)一步變形,從而產(chǎn)生表面硬化效應,抑制表面裂紋的萌生。④銑削加工可以引入較大幅值的殘余壓應力來(lái)抵消SLM成形過(guò)程中出現的殘余拉應力[２3]。
一般認為,殘余拉應力會(huì )加速試件疲勞損壞過(guò)程,而殘余壓應力可看作負載荷,表面殘余壓應力場(chǎng)的引入能減小試件實(shí)際承受的平均應力,起到延緩表面疲勞裂紋萌生的作用。對于TC4鈦合金高周疲勞壽命來(lái)說(shuō),疲勞源的萌生階段通常占據大部分循環(huán)周次。SLM成形件銑削后,表面完整性得到顯著(zhù)改善:表層金屬晶粒細化,表面粗糙度減小,表面硬度提高,疲勞源由試件表面及次表面轉移至試件內部,延緩了裂紋的萌生,因此疲勞壽命得到顯著(zhù)提升。
由圖1２c可知,對于銑削后的鍛件,疲勞源萌生地位于距試件表面0~100μm的次表面。相比于SLM成形,鍛造不易產(chǎn)生氣孔、球化等缺陷。銑削后,鍛件表面完整性的改善效果不如SLM成形件顯著(zhù),疲勞裂紋延緩形核的能力稍弱,因此疲勞壽命略少于銑削后的SLM成形件。由圖1２d~圖1２f可知,3個(gè)試件的裂紋擴展區均呈現出典型的疲勞輝紋特征,同一局部區域的疲勞輝紋連續且平行,疲勞輝紋的延伸方向與裂紋局部擴展方向近似垂直,但3個(gè)試件中相鄰疲勞輝紋的間距卻有差異。相鄰疲勞輝紋的間距與裂紋擴展速率有關(guān),間距越大,裂紋擴展越快。
銑削后的SLM成形件和鍛件相鄰疲勞輝紋的間距小于銑削前SLM成形件,銑削后試件的疲勞裂紋擴展較慢。這是因為銑削加工產(chǎn)生的表層細化晶粒會(huì )增加裂紋的擴展阻力,阻止裂紋擴展。由圖1２g~圖1２i可知,3個(gè)試件的瞬斷區具有不同的斷裂特征。銑削前,SLM成形件的瞬斷區存在大量短而彎曲并呈現河流狀的條紋,以及一個(gè)個(gè)類(lèi)似臺階的準解理小斷面,且斷面的周?chē)€有較多的撕裂棱。這種有準解理小斷面和撕裂棱存在的斷裂模式屬于準解理斷裂。熔池冷卻過(guò)程中產(chǎn)生的氧化物等各類(lèi)夾雜物易剝離表面、形成空洞,而這些空洞極易產(chǎn)生準解理斷裂。銑削后的SLM成形件和鍛件的瞬斷區都可觀(guān)察到大量相互連接且大小不同的韌窩,這種有大量韌窩存在的斷裂屬于韌性斷裂。銑削加工后的表層晶粒得到細化,出現高密度的位錯,因此斷裂模式由準解理斷裂過(guò)渡到韌性斷裂。
通過(guò)對銑削前后SLM成形件疲勞斷口3個(gè)典型區域的對比分析可知,銑削能改善SLM成形件的表面完整性:細化表層晶粒,降低表面粗糙度,提高表面硬度,使得疲勞源萌生位置由試件表面及次表面轉移至試件內部,延緩了裂紋的萌生,同時(shí)抑制裂紋的擴展,進(jìn)而延長(cháng)SLM成形件的疲勞壽命。SLM成形件銑削加工后疲勞斷裂模式由準解理斷裂過(guò)渡到韌性斷裂。
3、結論
(1)銑削可以減小TC4鈦合金SLM成形件的表面粗糙度Ra,提高TC4鈦合金SLM成形件的表面硬度。
(２)銑削后,SLM成形件的疲勞壽命大幅度提高,可達傳統鍛件水平,而疲勞強度410MPa略高于普通鍛件。
(3)銑削加工通過(guò)改善SLM成形件的表面完整性:細化表層晶粒,降低表面粗糙度,提高表面硬度,使疲勞源的萌生位置由試件表面及次表面轉移至試件內部,延緩了裂紋的萌生,同時(shí)抑制了裂紋的擴展,進(jìn)而延長(cháng)了SLM成形件的疲勞壽命。銑削后,SLM成形件的疲勞斷裂模式由準解理斷裂過(guò)渡到韌性斷裂。
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