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增材制造AM金屬因直接根據(jù)CAD數(shù)據(jù)和其他優(yōu)點(diǎn)成型,從而成為用于醫(yī)療植入物和航空部件的極具吸引力的材料。然而,AM金屬的疲勞強(qiáng)度明顯低于塊體金屬。因此,需要提高AM金屬疲勞強(qiáng)度的增強(qiáng)技術(shù)。改進(jìn)金屬材料的常見(jiàn)方法是拋噴丸強(qiáng)化,并且拋噴丸強(qiáng)化對(duì)AM金屬的增強(qiáng)作用已經(jīng)證明。另一方面,世界上已經(jīng)提出了諸如使用空化射流和浸沒(méi)式脈沖激光的空化沖擊強(qiáng)化之類(lèi)的新穎方法。
飛機(jī)部件數(shù)控噴丸強(qiáng)化設(shè)備
在空化沖擊強(qiáng)化的情況下,采用空化氣泡沖擊來(lái)引入無(wú)彈丸的塑性變形坑,不需要在噴丸強(qiáng)化處理后進(jìn)行化學(xué)清潔。此外,由于使用了氣泡破裂塌陷引起的沖擊波,因此空化氣泡沖擊會(huì)對(duì)AM金屬表面上未熔化顆粒底部的狹窄區(qū)域進(jìn)行強(qiáng)化處理。近年來(lái),對(duì)采用空化沖擊強(qiáng)化、水沖擊強(qiáng)化、噴丸強(qiáng)化和和浸沒(méi)式激光沖擊強(qiáng)化提高SUS316L不銹鋼疲勞強(qiáng)度的作用進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,采用空化沖擊強(qiáng)化最能提高疲勞強(qiáng)度,其它依次是噴丸強(qiáng)化、激光沖擊強(qiáng)化和水沖擊化。
請(qǐng)注意,通過(guò)與日本東北大學(xué)和波音公司合作,提出了一種結(jié)合使用空化射流和磨料提高AM金屬疲勞強(qiáng)度的新穎機(jī)械表面改性方法。
人體植入物數(shù)控噴丸機(jī)
材料和方法
所用材料為T(mén)i6Al4V鈦合金,并且試樣采用電子束熔煉(EBM)制備。EBM的平均粒徑約為75μm。電子束的光斑尺寸為0.2mm,堆積間距為90μm。試樣在真空條件下以1208K熱處理105分鐘,然后在氬氣中冷卻。然后在真空條件下以978K老化2小時(shí),然后在氬氣中冷卻。采用使用空化射流的空化沖擊強(qiáng)化、浸沒(méi)式激光沖擊強(qiáng)化和拋噴丸強(qiáng)化對(duì)疲勞試樣進(jìn)行處理。采用每種強(qiáng)化方法時(shí),考慮前文[3]選擇執(zhí)行每種強(qiáng)化的條件。
在空化沖擊強(qiáng)化的情況下,采用空化射流。射流壓力為30Mpa,噴嘴喉徑為2mm,上游角距試樣表面222mm,單位長(zhǎng)度加工時(shí)間為10s/mm。在浸沒(méi)式激光沖擊強(qiáng)化的情況下,采用配備Q開(kāi)關(guān)的Nd:YAG激光器。激光的最大能量和脈寬分別為0.35J和6ns。使用的波長(zhǎng)為基波,即1064nm,作為激光燒蝕后所形成氣泡塌陷的沖擊[3]。請(qǐng)注意,氣泡塌陷所引起的沖擊大于激光燒蝕,單位面積脈沖密度為5脈沖/mm2。在噴丸強(qiáng)化的情況下,通過(guò)噴水加速的再循環(huán)彈丸沖擊處理試樣。噴水壓力為12Mpa,單位長(zhǎng)度加工時(shí)間為1s/mm。采用常規(guī)的Schenk型位移控制平面彎曲疲勞測(cè)試儀在R=-1的條件下對(duì)經(jīng)強(qiáng)化處理和未經(jīng)強(qiáng)化處理的試樣進(jìn)行測(cè)試。
表1試樣的表面特性
采用電子束熔煉制造的試樣方面
圖1顯示了通過(guò)三維堆疊技術(shù)在激光顯微鏡下觀察到的未經(jīng)強(qiáng)化處理、經(jīng)過(guò)噴強(qiáng)化處理、空化沖擊強(qiáng)化處理和浸沒(méi)式激光沖擊強(qiáng)化處理的試樣方面。在圖1中,藍(lán)色表示峰谷,紅色表示顆粒頂部。表1顯示了粗糙度Rz和斜度Rsk的最大高度,以顯示試樣的表面特征。如圖1(a)所示,在表面觀察到許多未熔化的顆粒。表面經(jīng)噴丸強(qiáng)化處理后,顆粒變形如圖1(b)所示,Rsk為負(fù)值。然而,觀察到深谷,這些都不能通過(guò)噴丸強(qiáng)化處理去除。另一方面,對(duì)于采用空化沖擊強(qiáng)化和浸沒(méi)式激光沖擊強(qiáng)化處理的表面,仍觀察到未熔化的顆粒;也就是說(shuō),經(jīng)過(guò)噴丸處理的表面幾乎沒(méi)有變化。在空化沖擊強(qiáng)化的情況下,Rz略有下降;然而,隨著激光脈沖系統(tǒng)地產(chǎn)生塑性變形坑,浸沒(méi)式激光沖擊強(qiáng)化的Rz大于未經(jīng)噴丸處理的Rz,由此連續(xù)脈沖形成了波峰。
圖2:通過(guò)機(jī)械表面處理提高采用EBM制備的Ti6Al4V的疲勞強(qiáng)度
采用強(qiáng)化方法提高采用EBM制備的試樣的疲勞強(qiáng)度
圖2顯示了未經(jīng)強(qiáng)化處理、經(jīng)過(guò)噴丸強(qiáng)化處理、空化沖擊強(qiáng)化處理和浸沒(méi)式激光沖擊強(qiáng)化處理的試樣的平面彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果[5]。由于試樣表面相當(dāng)粗糙,如圖1和表1所示,考慮采用Rz來(lái)計(jì)算最大彎曲應(yīng)力。在圖2(a)中,使用圖3中所示的厚度δ1計(jì)算最大彎曲應(yīng)力。然而,圖3中Rz所示的層是一種不受支撐的層。
因此,在圖2(b)中使用了δ2=δ1-2×Rz。在圖2(a)中,隨著未熔化顆粒的頂部變形,采用噴丸強(qiáng)化處理提高的疲勞強(qiáng)度最大。使用利特爾方法計(jì)算107的疲勞強(qiáng)度時(shí)[7],未經(jīng)噴丸處理的樣品的疲勞強(qiáng)度為169±8MPa。請(qǐng)注意:使用Ti6Al4V經(jīng)過(guò)熱處理制成的塊體材料的107的疲勞強(qiáng)度為545±10MPa[8];采用EBM制備的Ti6Al4V鈦合金的疲勞強(qiáng)度明顯小于塊體材料。采用EBM制備的Ti6Al4V鈦合金經(jīng)噴丸處理后,其疲勞強(qiáng)度分別為335±6MPa(對(duì)于噴丸強(qiáng)化處理)、296±8MPa(對(duì)于空化沖擊強(qiáng)化處理)和317±4MPa(對(duì)于浸沒(méi)式激光沖擊強(qiáng)化處理)。與未經(jīng)強(qiáng)化處理相比,經(jīng)過(guò)強(qiáng)化處理后得到明顯改善;但與塊體材料相比,疲勞強(qiáng)度仍然較低。如上所述,在考慮表面粗糙度的情況下,重新計(jì)算了最大彎曲應(yīng)力。S-N曲線如圖2(b)所示。使用圖2(b)中所示的數(shù)據(jù)計(jì)算的疲勞強(qiáng)度分別為221±11MPa(對(duì)于未經(jīng)強(qiáng)化處理)、371±7MPa((對(duì)于噴丸強(qiáng)化處理))、406±11MPa(對(duì)于空化沖擊強(qiáng)化處理)以及450±3MPa(對(duì)于浸沒(méi)式激光沖擊強(qiáng)化處理)。換言之,經(jīng)過(guò)浸沒(méi)式激光沖擊強(qiáng)化處理,疲勞強(qiáng)度比未經(jīng)過(guò)強(qiáng)化處理提高了約2倍,約占?jí)K體材料的80%。
圖3:用于計(jì)算彎曲應(yīng)力的試樣厚度示意圖.
結(jié)語(yǔ)
為了證明采用電子束熔煉EBM制備的Ti6Al4V鈦合金通過(guò)機(jī)械表面處理提高了AM金屬材料的疲勞強(qiáng)度,對(duì)鈦合金進(jìn)行了噴丸強(qiáng)化、空化沖擊強(qiáng)化和浸沒(méi)式激光沖擊強(qiáng)化處理,并進(jìn)行了位移控制疲勞試驗(yàn)。結(jié)果表明,在考慮表面粗糙度的情況下,采用浸沒(méi)式激光沖擊強(qiáng)化處理提高的107的疲勞強(qiáng)度是未經(jīng)強(qiáng)化處理的樣品的兩倍。
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