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《特种加工技术智能化与精密化——第17届全国特种加工学术会议论文集(摘要)》2017年
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电子束选区熔化线能量对合金粉末中铝元素挥发的影响

周俊  周斌  李宏新  钱亚  林峰  
【摘要】:钛铝合金具有低密度、高比强度、高比刚度及优异的高温性能,是具有应用潜力的高温结构材料。钛铝合金传统制备方法为铸造、锻造和粉末冶金技术等。但因钛铝合金的室温塑性差,在成形过程中,易出现裂纹,加工难度大,属于难加工材料。随着增材制造技术的出现,基于离散-堆积原理的材料制备与成形一体化特点,使得钛铝合金的增材制造引起广泛的研究兴趣。电子束选区熔化(Electron beam selective melting,EBSM)是基于粉末床的金属增材制造工艺,在利用电子束选取熔化成形钛铝合金过程中,由于真空环境和高能量输入,线能量密度非常高,常易引起铝元素的挥发,从而引起制件合金成分的改变;合金成分的改变影响了合金组织的相成分,进而影响了合金的力学性能,甚至导致合金零件的报废。本文将针对该技术问题,基于电子束扫描线能量密度,对电子束选区熔化工艺中Ti47Al2Cr2Nb合金铝元素的挥发及其抑制进行研究和探讨。试验成形基板为TC4钛合金,基板预热温度为1000℃,电子束束流为7、8、9、10、11、12 mA。制备室持续通入高纯氩气保持在1 Pa。通过扫描显微镜和X射线能谱仪进行显微组织及元素分析,试验结果表明:当电子束线能量密度从1680 J/m增加到2640 J/m时,试样的铝元素原子比例从43%逐渐变小到达35%;当电子束线能量密度从2640 J/m增加到2880 J/m时,试样的铝元素原子比例从35%增大到37%;并且电子束线能量密度从2400 J/m增加2880 J/m时,因铝元素挥发速率的显著提高从而导致铝元素的相对含量出现较大的变化;当电子束线能量密度从1680 J/m增加到2160 J/m时,显微组织先从片层组织逐渐向拉长的等轴状椭圆组织过渡;当电子束线能量密度增加到2640 J/m时,拉长的等轴状椭圆组织又过渡到片层组织。当线能量密度超过2160 J/m时,背散射显微照片中出现了少量白色的B_2有序相;B_2相的存在表明铝元素发生较大的蒸发。为减少铝元素的挥发,电子束选区熔化输入的线能量密度在保证能够成形的条件下尽量控制在1680 J/m以下。

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