引言
鈦合金材料具有密度低、比強(qiáng)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(yī)藥[4]等領(lǐng)域。隨著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(jī)燃油噴嘴[5]和壓氣機(jī)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(qū)熔化和激光熔化沉積是成形鈦合金構(gòu)件的兩種主要工藝[８]。激光選區(qū)熔化(selecＧtivelasermelting,SLM)技術(shù)采用高能激光束連續(xù)選擇性熔化粉床中的金屬粉層,逐層疊加成形構(gòu)件,具有加工周期短、材料利用率高、可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢(shì),是廣泛應(yīng)用的金屬增材制造技術(shù)之一[9]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)SLM鈦合金材料進(jìn)行了積極的研究。XU等[10]發(fā)現(xiàn)TC4鈦合金SLM成形試樣的屈服強(qiáng)度超過(guò)1100MPa,延伸率為11.4％,靜態(tài)力學(xué)性能優(yōu)于傳統(tǒng)鍛造的TC4鈦合金。董登科等[11]發(fā)現(xiàn)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(duì)激光選區(qū)熔化金屬表面的成形質(zhì)量控制進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)增材制造過(guò)程產(chǎn)生的較大殘余應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致成形件出現(xiàn)翹曲變形,且內(nèi)部缺陷等問(wèn)題會(huì)導(dǎo)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(duì)SLM成形TC4鈦合金疲勞性能的影響,發(fā)現(xiàn)退火處理雖然能提升成形件的疲勞性能但遠(yuǎn)達(dá)不到鍛件水平。QIAN等[14]對(duì)比SLM技術(shù)制備TC4試樣和鍛造試件的疲勞性能,發(fā)現(xiàn)增材制造鈦合金試樣的內(nèi)部孔隙等顯微缺陷導(dǎo)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(gòu)件服役壽命,無(wú)法直接滿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(qiáng)化對(duì)激光增材制造TC18鈦合金疲勞性能的影響,發(fā)現(xiàn)噴丸強(qiáng)化能增大殘余壓應(yīng)力和硬度,提高疲勞性能。李曉丹等[16]發(fā)現(xiàn)采用HNO3ＧHF拋光液對(duì)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提高。YU等[17]發(fā)現(xiàn)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(xiàn)增材件內(nèi)部的空洞在一定程度上會(huì)促進(jìn)裂紋的萌生與擴(kuò)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(duì)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(tái)階效應(yīng)”、提高成形件的尺寸精度,而且能夠改善表面完整性、調(diào)控表面殘余應(yīng)力分布。POLＧISHETTY等[19]分別對(duì)TC4鈦合金增材件和鍛件進(jìn)行銑削加工,并對(duì)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(xiàn)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(duì)比了SLM增材成形件銑削前后的表面粗糙度和殘余應(yīng)力,發(fā)現(xiàn)銑削加工后的表面粗糙度顯著降低,由10μm下降到1μm,且銑削加工使增材件表面殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)為壓應(yīng)力。雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始對(duì)基于“SLM＋微銑削”的鈦合金增減材復(fù)合制造工藝展開(kāi)研究,但對(duì)銑削減材工藝改善增材件表面完整性及強(qiáng)化疲勞性能的機(jī)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(yàn)和常溫三點(diǎn)彎曲高周疲勞實(shí)驗(yàn)對(duì)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(shù)對(duì)表面完整性和疲勞性能的影響規(guī)律,研究銑削減材工藝對(duì)TC4鈦合金SLM成形件疲勞性能的強(qiáng)化機(jī)理。
1、實(shí)驗(yàn)
1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料
實(shí)驗(yàn)選用SLM增材制造設(shè)備IGAMＧI、數(shù)控銑床XK71２4、拉扭復(fù)合疲勞試驗(yàn)機(jī)INSTRONＧE10000。實(shí)驗(yàn)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(shù)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(píng)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(duì)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(yàn)方案
1.２.1銑削實(shí)驗(yàn)
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?zé)岱€(wěn)定性,延長(zhǎng)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(shù)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(yàn)采用順銑。為更好地測(cè)量切削溫度,實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)正交試驗(yàn),研究TC4鈦合金銑削參數(shù)對(duì)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(guī)律。SLM成形件存在各向異性,因此對(duì)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(shù)的銑削,并測(cè)量其結(jié)果。激光選區(qū)熔化中成形方向?yàn)閆向,垂直于成形方向的平面設(shè)為成形件的m面(OXY平面),平行于成形方向的平面設(shè)為成形件的n面(OYZ平面),如圖1所示,虛線箭頭為激光掃描方向,代表激光對(duì)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(yàn)中,銑削寬度為２.5mm,其他的銑削參數(shù)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(yàn)過(guò)程中對(duì)不同銑削參數(shù)下的銑削力和銑削溫度進(jìn)行測(cè)量。為避免銑削實(shí)驗(yàn)的偶然性,每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)4次,取平均值作為最后結(jié)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(cè)力儀上。使用KistlerＧ9２75B力測(cè)量系統(tǒng)獲取銑削過(guò)程中的切削力信號(hào),以濾波后力信號(hào)的平均值為銑削力。將FLIRＧT1040紅外熱成像儀測(cè)量的銑刀刀尖附近切削區(qū)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(cè)量銑削前后試件的表面粗糙度Ra,使用設(shè)定參數(shù)銑削加工后,在銑削表面沿垂直于線速度的方向進(jìn)行測(cè)量,每個(gè)面選取5個(gè)點(diǎn)測(cè)量表面粗糙度,將它們的算數(shù)平均值作為該加工表面的粗糙度。使用維氏顯微硬度計(jì)HVSＧ1000Z測(cè)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(shù)下銑削后,每個(gè)面選取3個(gè)點(diǎn)測(cè)量硬度,取它們的算數(shù)平均值為該加工表面的硬度。
1.２.２疲勞實(shí)驗(yàn)
使用疲勞試驗(yàn)機(jī)測(cè)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(duì)比。實(shí)驗(yàn)采用室溫三點(diǎn)彎曲疲勞實(shí)驗(yàn),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(cè)量試件銑削前后的疲勞壽命。為體現(xiàn)增材制造工藝和傳統(tǒng)制造工藝成形鈦合金的性能差異,本次試驗(yàn)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(cè)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(yàn)采用應(yīng)力控制,交變應(yīng)力的最大值應(yīng)低于增材制造TC4鈦合金的屈服極限(σs＝103８MPa)。考慮到傳統(tǒng)鍛造TC4鈦合金的疲勞強(qiáng)度為400MPa,因此以最大壓應(yīng)力1010MPa、８90MPa、770Pa、650MPa、530MPa、410MPa的正弦波載荷(加載頻率為15Hz,應(yīng)力比為0.1)施加到銑削后的TC4鈦合金SLM成形件,測(cè)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(shù)平均值表征試件的疲勞壽命,并繪制SＧN疲勞曲線。用掃描電鏡QuantaＧFEG２50觀察疲勞斷口形貌,分析疲勞裂紋萌生及擴(kuò)展規(guī)律。
２、結(jié)果與分析
２.1銑削工藝對(duì)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(shù)字1~9對(duì)應(yīng)表3的實(shí)驗(yàn)序號(hào)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(yuǎn)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?yàn)殂娤骷庸r(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(duì)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(jù)極差分析結(jié)果繪制TC4鈦合金鍛件和SLM成形件的銑削因素對(duì)表面粗糙度的影響趨勢(shì)圖。由圖5可知,鍛件和SLM成形件不同表面的變化曲線相似,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(nèi)TC4鈦合金材料的切削面積擴(kuò)大,這會(huì)加劇切削力的波動(dòng),導(dǎo)致試件表面粗糙度增大。隨著銑削速度的增加,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(duì)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(shù)字1~9對(duì)應(yīng)表3的實(shí)驗(yàn)序號(hào)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(shù)加工后,SLM成形件的表面均產(chǎn)生加工硬化,其中,側(cè)面硬化最顯著,表面硬度為390.２HV~436.3HV,
平均值為405.0HV。這是因?yàn)殂娤骷庸み^(guò)程中,表面材料受到刀具擠壓與摩擦?xí)l(fā)生塑性變形,晶粒發(fā)生滑移,金屬的位錯(cuò)密度增大,位錯(cuò)間的交互作用增強(qiáng),出現(xiàn)位錯(cuò)的纏結(jié),加工表面的晶粒發(fā)生強(qiáng)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(qiáng)化效應(yīng),硬度增大。如表5所示,對(duì)不同表面銑削后的表面硬度進(jìn)行極差分析,并根據(jù)極差分析結(jié)果繪制TC4鈦合金鍛件和SLM成形件的銑削因素對(duì)表面硬度的影響趨勢(shì)圖(圖6)。
如圖6a所示,鍛件和SLM成形件不同表面的變化曲線相似,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(xiàn)先減小后增大的變化趨勢(shì);每齒進(jìn)給量為0.04mm時(shí),表面硬度達(dá)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(xiàn)先減小后增大的變化趨勢(shì),是因?yàn)楫?dāng)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(yīng)增強(qiáng),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(yīng)和塑性硬化效應(yīng)共同作用于試件表面,熱軟化效應(yīng)占主導(dǎo)地位時(shí),試件的表面硬度呈現(xiàn)減小的趨勢(shì);塑性硬化效應(yīng)占主導(dǎo)地位時(shí),試件的表面硬度呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。
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(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì),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(xiàn)出增大的趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著切削深度的增大,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(yīng)增強(qiáng)。切削深度的增加會(huì)使試件與刀具之間的切削區(qū)產(chǎn)生大量的熱,試件來(lái)不及傳遞熱量就表現(xiàn)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(yīng)。塑性硬化效應(yīng)和高溫軟化效應(yīng)交替主導(dǎo)作用在TC4鈦合金的表面,使得表面硬度隨著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(xiàn)增大的趨勢(shì)。
銑削速度增大時(shí),加工試件表面的塑性變形程度和應(yīng)變速率也在不斷增大,使得表面塑性變形產(chǎn)生的強(qiáng)化增強(qiáng)。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(yīng),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(jié)構(gòu)等因素有很大關(guān)系。銑削工藝參數(shù)對(duì)表面粗糙度和表面硬度的影響歸根結(jié)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(jié)果。因此對(duì)銑削實(shí)驗(yàn)中采集的銑削力和銑削溫度結(jié)果進(jìn)行極差分析,并根據(jù)極差分析結(jié)果繪制銑削因素對(duì)銑削力和銑削溫度的變化趨勢(shì)圖。
由圖7可知,軸向切深對(duì)銑削力影響最大,銑削力隨著軸向切深、每齒進(jìn)給量的增大均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì);隨著銑削速度的增大,銑削力呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。這是因?yàn)樵谇邢鲗挾炔蛔兊臈l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,這意味著材料去除需要的能量增大,所以銑削力顯著增大。每齒進(jìn)給量增大時(shí),單位時(shí)間內(nèi)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(yīng)力不斷增大,但前刀面的摩擦因數(shù)會(huì)減小,這意味著切削時(shí)試件的塑性變形程度降低,所以每齒進(jìn)給量對(duì)銑削力的影響程度小于軸向切深。鈦合金的熱導(dǎo)率小,所以隨著銑削速度的增加,切削區(qū)域的溫度急劇升高。鈦合金在高溫下會(huì)發(fā)生軟化現(xiàn)象,去除材料所需的能量減少,表現(xiàn)為銑削力減小。隨著銑削速度的不斷增大,溫度上升,鈦合金的黏連性加強(qiáng),部分切屑黏結(jié)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(shì)。
由圖８可知,銑削速度對(duì)銑削溫度影響最大,銑削速度隨著軸向切深、每齒進(jìn)給量和銑削速度的增大均呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)。這是因?yàn)殁伜辖馃釋?dǎo)率較小,短時(shí)間內(nèi)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(dǎo)致摩擦熱增加,從而使切削熱增加,銑削溫度顯著升高。每齒進(jìn)給量增大時(shí),單位時(shí)間內(nèi)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(qū)域產(chǎn)生的熱量增加,銑削溫度升高,但切削刃的工作長(zhǎng)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(shè)置好的工藝參數(shù)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(duì)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(shù)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(shì)不同,是因?yàn)楸砻嬗捕鹊淖兓苘浕?yīng)和塑性硬化效應(yīng)的綜合影響,即軟化效應(yīng)為主導(dǎo)因素時(shí),表面硬度降低;塑性硬化效應(yīng)為主導(dǎo)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(duì)SLM成形件疲勞性能的影響
圖9所示為應(yīng)力比0.1、最大應(yīng)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(yuǎn)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。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,因此疲勞壽命得到極大地延長(zhǎng)。
在滿足工業(yè)生產(chǎn)要求的前提下,鍛造溫度、鍛造變形量等工藝參數(shù)會(huì)影響TC4鈦合金鍛件的組織結(jié)構(gòu)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(duì)比TC4鈦合金鍛件和銑削后的SLM成形件的SＧN曲線,收集了國(guó)內(nèi)TC4鍛件疲勞性能的研究數(shù)據(jù)[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(yīng)力載荷下的疲勞壽命均可達(dá)到鍛件水平。應(yīng)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(yīng)力小于770MPa時(shí),銑削后SLM成形件的疲勞壽命雖遠(yuǎn)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變化趨勢(shì)與傳統(tǒng)鍛件相似,均為連續(xù)下降型,循環(huán)106周次前,應(yīng)力快速減小,循環(huán)106周次后,應(yīng)力緩慢減小。SLM成形件銑削后的疲勞強(qiáng)度為410MPa,略高于普通鍛件的疲勞強(qiáng)度400MPa。
銑削后的SLM成形件表面完整性改善效果顯著,疲勞壽命大幅度提高,可達(dá)到傳統(tǒng)鍛件水平,疲勞強(qiáng)度為410MPa,略高于普通鍛件。
２.3銑削工藝對(duì)SLM成形件疲勞性能的強(qiáng)化機(jī)理
疲勞斷口主要由疲勞源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)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(qū)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(qū)可以發(fā)現(xiàn)1個(gè)疲勞源。裂紋擴(kuò)展區(qū)是疲勞源區(qū)的延續(xù),能看到貝紋線,每組貝紋線都是以疲勞源為圓心的平行弧線,弧線的凹側(cè)指向疲勞源,弧線的凸側(cè)指向裂紋擴(kuò)展方向。瞬斷區(qū)也稱粗粒區(qū),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(qū)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)顯著縮短試件的疲勞壽命。SLM成形件表面比較粗糙,表面的微觀溝痕較深,易產(chǎn)生表面應(yīng)力集中,試件表面在高循環(huán)應(yīng)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(xiàn)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(zhuǎn)移靠近試件中心的區(qū)域。產(chǎn)生這些變化的主要原因?yàn)?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(xì)化,位錯(cuò)密度增加,位錯(cuò)間的交互作用增強(qiáng),出現(xiàn)大量位錯(cuò)的纏結(jié),導(dǎo)致試件表層的晶粒細(xì)化。細(xì)化的表層晶粒可以提高滑移形變抗力,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(yán)重的應(yīng)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(qiáng)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(yīng),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(yīng)力來(lái)抵消SLM成形過(guò)程中出現(xiàn)的殘余拉應(yīng)力[２3]。
一般認(rèn)為,殘余拉應(yīng)力會(huì)加速試件疲勞損壞過(guò)程,而殘余壓應(yīng)力可看作負(fù)載荷,表面殘余壓應(yīng)力場(chǎng)的引入能減小試件實(shí)際承受的平均應(yīng)力,起到延緩表面疲勞裂紋萌生的作用。對(duì)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(jù)大部分循環(huán)周次。SLM成形件銑削后,表面完整性得到顯著改善:表層金屬晶粒細(xì)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(zhuǎn)移至試件內(nèi)部,延緩了裂紋的萌生,因此疲勞壽命得到顯著提升。
由圖1２c可知,對(duì)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,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(kuò)展區(qū)均呈現(xiàn)出典型的疲勞輝紋特征,同一局部區(qū)域的疲勞輝紋連續(xù)且平行,疲勞輝紋的延伸方向與裂紋局部擴(kuò)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(kuò)展速率有關(guān),間距越大,裂紋擴(kuò)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(kuò)展較慢。這是因?yàn)殂娤骷庸ぎa(chǎn)生的表層細(xì)化晶粒會(huì)增加裂紋的擴(kuò)展阻力,阻止裂紋擴(kuò)展。由圖1２g~圖1２i可知,3個(gè)試件的瞬斷區(qū)具有不同的斷裂特征。銑削前,SLM成形件的瞬斷區(qū)存在大量短而彎曲并呈現(xiàn)河流狀的條紋,以及一個(gè)個(gè)類似臺(tái)階的準(zhǔn)解理小斷面,且斷面的周圍還有較多的撕裂棱。這種有準(zhǔn)解理小斷面和撕裂棱存在的斷裂模式屬于準(zhǔn)解理斷裂。熔池冷卻過(guò)程中產(chǎn)生的氧化物等各類夾雜物易剝離表面、形成空洞,而這些空洞極易產(chǎn)生準(zhǔn)解理斷裂。銑削后的SLM成形件和鍛件的瞬斷區(qū)都可觀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(xì)化,出現(xiàn)高密度的位錯(cuò),因此斷裂模式由準(zhǔn)解理斷裂過(guò)渡到韌性斷裂。
通過(guò)對(duì)銑削前后SLM成形件疲勞斷口3個(gè)典型區(qū)域的對(duì)比分析可知,銑削能改善SLM成形件的表面完整性:細(xì)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(zhuǎn)移至試件內(nèi)部,延緩了裂紋的萌生,同時(shí)抑制裂紋的擴(kuò)展,進(jìn)而延長(zhǎng)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(zhǔn)解理斷裂過(guò)渡到韌性斷裂。
3、結(jié)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(dá)傳統(tǒng)鍛件水平,而疲勞強(qiáng)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(xì)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(zhuǎn)移至試件內(nèi)部,延緩了裂紋的萌生,同時(shí)抑制了裂紋的擴(kuò)展,進(jìn)而延長(zhǎng)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(zhǔn)解理斷裂過(guò)渡到韌性斷裂。
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