A composição deLiga de titânio TC4é o Ti-6AI-4V, que pertence à liga de titânio do tipo (a+β). Possui boas propriedades mecânicas abrangentes, alta resistência específica, excelente resistência à corrosão, boa biocompatibilidade e é amplamente utilizado nos campos aeroespacial, petroquímico, biomédico e outros. Este artigo seleciona o método de eletrodo rotativo de plasma para prepararpó de liga de titânioe discute o mecanismo de esferoidização do pó de liga de titânio. A lei de evolução de sua microestrutura é explorada e os principais métodos de tratamento térmico são discutidos, fornecendo a base teórica necessária para a aplicação da liga de titânio TC4 na tecnologia de impressão 3D.
2.1 Materiais e Métodos Experimentais: O pó da liga TC4 foi preparado pelo método de atomização com eletrodo rotativo a plasma, e sua composição química foi analisada por instrumentos, conforme mostrado na Tabela 1.
| Al | Fé | V | C | N | E | O | H | De |
| 6.25 | 0.27 | 3.92 | 0.1 | 0.006 | 0.10 | 0.12 | 0.005 | 89.23 |
De acordo com a tabela, o teor de H, N e O no pó é relativamente baixo, o que atende aos requisitos para impressão de produtos de alto desempenho. O formato das partículas do pó preparadas por esse processo é muito próximo do esférico, com superfície lisa, boa fluidez e sem excesso de impurezas. A imagem SEM observada sob um microscópio eletrônico de varredura é mostrada na Figura 1, e as partículas de pó individuais são mostradas na Figura 2. Através da observação, quando a forma geométrica das partículas de pó da liga de titânio TC4 é esférica, a conformabilidade é boa, enquanto o pó elíptico tem baixa fluidez e conformabilidade. O pó esférico de liga de titânio tem boa fluidez durante a preparação para impressão 3D a laser.
2.2 Resultados experimentais e análise 2.2.1 Mecanismo de formação de bola do pó de liga de titânio TC4 Na tecnologia de impressão 3D, o material em pó metálico é a matéria-prima para a impressão 3D de metal e suas propriedades básicas têm um impacto significativo na qualidade da formação do produto final. É também uma das bases materiais e elementos-chave para alcançar a prototipagem rápida. O pó da liga TC4 preparado pelo método de atomização com eletrodo rotativo a plasma possui formato de partícula muito próximo do esférico, com superfície lisa e boa fluidez. O mecanismo de formação de pó consiste principalmente em três processos, conforme mostrado na Figura 3. No primeiro processo, as gotículas da liga fundida são impactadas pelo fluxo de ar de alta velocidade, fazendo com que cresçam em um filme líquido ondulado e se afastem do centro do gás. em alta velocidade; No segundo processo, devido à pressão, as gotículas alongadas da liga são instáveis. Sob a tensão superficial do líquido, eles são então soprados e quebrados, formando gotículas elípticas; No terceiro processo, a gota elíptica continua a quebrar novamente sob a ação da pressão do ar e da tensão superficial do líquido, e é segmentada em várias pequenas gotas. Sob a ação da tensão superficial, a gota tende a encolher para uma forma esférica durante o processo de descida, e o resfriamento acelera, solidificando-se imediatamente em uma forma esférica.
Este experimento pode obter tamanhos de partículas de liga de titânio TC4 distribuídos principalmente na faixa de 50-160 μm, controlando os parâmetros relevantes do experimento. A distribuição do tamanho das partículas é estreita e atende aos requisitos da impressão 3D.
2.2.2 Microestrutura da amostra de liga de titânio TC4 A estrutura metalográfica da seção transversal da amostra de liga de titânio TC4 é mostrada na Figura 4. Quando o feixe de íons atua sobre o pó da liga de titânio TC4, uma poça fundida circular é formada. Dentro da poça fundida, a temperatura diminui gradualmente do centro para a borda, mostrando uma distribuição gaussiana. A diferença de temperatura resulta em vários graus de fusão do pó da liga de titânio TC4, com pós em temperaturas mais baixas na região da borda permanecendo não fundidos ou insuficientemente fundidos, levando a diferenças na microestrutura e no tamanho dos grãos entre a poça de fusão e a região da borda. O uso do modo de ponto pulsado para revestimento de pó metálico pode reduzir a influência do gradiente de temperatura na zona afetada pelo calor. Quando esta última fonte de calor atua sobre o pó da liga, ela também suplementa energia para a área da borda do ponto anterior para refusão. Após obter a energia, os grãos continuam a crescer na direção da absorção de energia.
A foto da estrutura metalográfica da seção longitudinal da amostra de liga de titânio TC4 é mostrada na Figura 5. Através da observação do microscópio metalográfico, a microestrutura é β - produtos colunares grosseiros. Conforme mostrado na Figura 5, os limites dos grãos podem ser claramente observados e os cristais colunares crescem ao longo da direção da camada de empilhamento, com diferentes direções de crescimento. O crescimento para no limite do cristal colunar β e, ao mesmo tempo, os cristais colunares distantes do substrato continuam a crescer epitaxialmente, com fenômeno de crescimento de grãos. Após análise, constatou-se que a temperatura gerada durante a preparação da liga TC4 por impressão 3D tem impacto na microestrutura da liga de titânio. Quando parte do pó da liga é derretida por feixe de íons, a parte frontal da liga é reaquecida. No entanto, o coeficiente de autodifusão da fase beta da liga TC4 é relativamente grande e uma energia menor pode promover o crescimento do grão. Portanto, os cristais colunares são propensos ao crescimento e ao superaquecimento durante o reaquecimento.
Portanto, controlar a energia da fonte de calor pode alterar efetivamente a microestrutura da liga TC4.
2.2.3 Solução sólida e tratamento térmico de envelhecimento A Figura 6 mostra a estrutura metalográfica da liga TC4 em três diferentes estados de tratamento térmico: como depositado (a), 970°C/1h+540°C/4h (b), e 970°C /1h (c). A liga TC4 depositada possui uma microestrutura mista de solução sólida alfa e solução sólida beta; Após tratamento térmico a 970°C/1h+540°C/4h (b), a estrutura metalográfica se transformou em uma estrutura de cesto de malha; Após tratamento térmico adicional a 970°C/FC/1h (c), a estrutura se transformou em uma estrutura bimodal consistindo de uma estrutura semelhante a uma cesta e fase alfa esferoidizada. Entre eles, o desempenho de fluência em alta temperatura, a resistência e a plasticidade da estrutura do cesto são bons, enquanto a plasticidade da estrutura bimodal é baixa e a resistência é alta.
Através da análise, sabe-se que a solução sólida e o tratamento térmico de envelhecimento podem efetivamente melhorar a resistência e a plasticidade da liga de titânio TC4, mas a taxa de resfriamento tem um impacto significativo na resistência e plasticidade da liga de titânio TC4, e métodos de resfriamento apropriados devem ser adotados em produção.
A Figura 7 mostra as imagens microscópicas da microestrutura da cesta de malha de liga de titânio TC4 sob diferentes métodos de resfriamento. Quando a liga de titânio TC4 é resfriada a ar, ocorre uma transformação de fase de semidifusão. Após a solução sólida e o tratamento de envelhecimento, a solução sólida da fase β entre a solução sólida da fase α primária aparecerá como uma pequena solução sólida da fase α secundária, como mostrado na Figura 7 (a); Quando a liga de titânio TC4 é resfriada em um forno, ocorre uma transformação de fase do tipo difusão. Após o tratamento com solução sólida, uma estrutura bimodal é formada. A solução sólida da fase β entre a solução sólida da fase α primária na liga não produz solução sólida da fase α secundária devido à falta de tratamento térmico de envelhecimento subsequente, conforme mostrado na Figura 7 (b); Por comparação, pode-se observar que sob condições de resfriamento do forno, os limites dos grãos e a solução sólida da fase alfa intragranular são mais grosseiros do que sob condições de resfriamento a ar. Quando a liga de titânio TC4 é submetida a forças externas, é mais provável que rachaduras se iniciem e se propaguem nos limites dos grãos, resultando em plasticidade reduzida, e a moldagem por impressão não é utilizada.
Resumo: (1) Pó de liga de titânio TC4 preparado pelo método de eletrodo rotativo de plasma, (Tianjiu Metal pode personalizar o pó de liga de titânio TC4 com diferentes processos de acordo com as necessidades do cliente), o formato da partícula de pó é muito próximo do esférico, a superfície é lisa, o a fluidez é boa e possui boas características de pó, o que atende aos requisitos da impressão 3D.
(2) A microestrutura da seção transversal da liga de titânio TC4 mostra cristais colunares radiantes do centro de temperatura até a borda, enquanto a microestrutura da seção longitudinal mostra cristais colunares crescendo ao longo da direção da camada de empilhamento. O controle da energia da fonte de calor pode efetivamente melhorar a microestrutura da liga de titânio TC4.
(3) O método de tratamento térmico de solução sólida + envelhecimento e resfriamento a ar melhora efetivamente a resistência e a plasticidade da liga de titânio TC4 depositada, fazendo com que seu desempenho atenda aos requisitos da impressão 3D da liga de titânio TC4.
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