粉末床熔融式增材制造钛合金研究进展及应用

钛及其合金的粉末床熔融式(PBF)增材制造技术因具有定制制造、成本节约和时间优化等优势,在航空以及生物医学领域备受关注。但在PBF制造钛合金时,多种因素如热导率低、热积累、氧化敏感性及快速冷却引起的热应力共同导致成形件缺陷、组织差异、性能不稳定与质量参差不齐等问题。因此,本文通过调研PBF技术中的激光粉末床熔融(Laser powder bed fusion,L-PBF)和电子束粉末床熔融(Electron beam powder bed fusion,EB-PBF)技术原理,讨论PBF增材制造钛合金微观组织特征、力学性能、耐腐蚀性能、耐磨损性能与生物相容性的特点;同时,聚焦成形过程中的缺陷形成机理及影响,提出缺陷消除方法;最后,展望两种技术的未来发展方向,为促进创新钛合金增材制造提供新的研究思路。

一种高强钛合金疲劳裂纹扩展行为

高强Ti-5Al-3Mo-3V-2Zr-2Cr-1Nb-1Fe(Ti-5321)合金是顺应我国新一代飞机对高性能钛合金的需求设计而开发的一种新型高强损伤容限型钛合金。以Ti-5321合金为研究对象,构造等轴组织(EM)、网篮组织(BW)和细网篮组织(F-BW)三种典型组织,研究拉伸及疲劳裂纹扩展行为,利用光学显微镜(OM)和扫描电镜(SEM)观察组织和断口,揭示高强钛合金Paris及失稳扩展区的疲劳裂纹扩展机制。结果表明:三种组织试样的抗拉强度均在1200 MPa以上,且整个裂纹扩展阶段均表现出优异的疲劳裂纹扩展抗力;细网篮组织疲劳裂纹扩展抗力最高,等轴组织疲劳裂纹扩展抗力最低;Paris区及失稳扩展区疲劳裂纹主要以穿过初生α相和沿着初生α相两种方式进行扩展,裂纹扩展方式与α相的晶体学取向密切相关,裂纹倾向于穿过有利于(1010)<1210>锥滑移的α丛域,绕过有利于(1011)<1210>柱滑移的α丛域。

钛合金的应用和低成本制造技术

钛及钛合金具有优异的综合性能,是一种重要的金属结构材料,在军工、民用各个领域得到广泛的应用。简要阐述了钛合金的应用现状,分析了降低钛合金成本的可能性途径。

我国航空用钛合金材料研究现状

评述了我国航空用钛合金材料研制部门近几年研究现状,包括高温钛合金、钛基复合材料、强韧性钛合金、阻燃钛合金等,以及将来的发展趋势。

Ti811合金的热稳定性能

研究了热处理工艺、显微组织和试样表面状态对Ｔｉ８１１合金热稳定性能的影响。结果表明，具有等轴组织和双态组织的Ｔｉ８１１合金有很好的热稳定性能；针状组织的存在使Ｔｉ８１１合金热稳定性能恶化；Ｔｉ８１１合金在４２５℃热暴露下，表面氧化层及暴露时间对合金的热稳定性能没有明显影响。在本研究的实验条件下，影响Ｔｉ８１１合金热稳定性能的主要因素是暴露过程中的相结构变化。

低成本钛合金研究

采用廉价的Fe Mo中间合金设计研究出Ti8LC和Ti12LC低成本钛合金 ,前者为近α型 ,后者为近 β型钛合金 ,两者的室温拉伸性能均优于TC4。

Ti-40阻燃钛合金中的第二相

研究了 Ti- 40 (Ti- 2 5 V- 15 Cr- 0 .2 Si)阻燃钛合金中的第二相及其对合金性能的影响。研究结果表明 :固溶温度升高 ,Ti40合金中析出第二相的趋势增大 ;低于 85 0℃固溶 ,合金中没有第二相析出 ,高于 85 0℃固溶 ,合金中析出棒状α相和少量 Ti5Si3相 ;910℃固溶 +6 0 0℃时效 ,合金存在的第二相有α和 Ti5Si3相 ;86 0℃固溶 +6 0 0℃时效 ,合金仅存在 Ti5Si3相 ,固溶时效态存在的第二相对合金的性能没有明显影响 ;5 40℃ ,10 0 h热暴露 ,合金中存在粗大的各种形态的α相和 Ti5Si3析出物 。

高度稳定化β型阻燃钛合金Ti40的氧化和氧化层剥落机理

对高度稳定化β型阻燃钛合金 Ti40的氧化机理和氧化层剥落机理进行研究表明 :合金氧化增重随温度升高明显增加 ,至 10 5 0℃反而降低 ;6 0 0℃的氧化膜主要为 Ti O2 和 V2 O5 ,高于 70 0℃氧化 ,因 V2 O5 的挥发 ,氧化膜主要为 Ti O2 ,随温度升高 ,氧化物晶粒粗化 ,氧化膜疏松多孔 ,与基体黏附性降低 ,不低于 90 0℃时开裂和剥落 ,不低于 80 0℃氧化 ,氧化层疏松处还存在 Si O化合物 ,温度升高 ,Si O数量增多 ,由圆球形变为星形 ,至 10 5 0℃随氧化层剥落而消失 ;剥落后的基体氧化层仍为疏松状 ,有不连续分布的 Cr2 O3膜存在。同时还分析了 Ti40合金不抗氧化的原因及氧化机理 ,提出了氧化机理模型。在分析氧化膜内应力产生及内应力释放机制基础上 ,提出了 Ti40合金氧化层开裂、剥落机理。

Ti40阻燃钛合金的基础研究

阻燃钛合金具有重要的应用前景,Ti40合金是我国研制的新型阻燃钛合金。重点综述Ti40合金的基础理论研究结果,如变形机理、氧化机理、阻燃机理等。

β型Ti40阻燃钛合金高温长期作用的第二相及其对性能的影响

研究了β型 Ti4 0阻燃钛合金高温长期作用的第二相及其对性能影响。 Ti4 0合金高温长期作用后 ,从β相中析出 Ti5Si3相和α相 ;采用常规锻造工艺不高于 5 4 0℃热暴露 10 0 h,Ti5Si3相沿晶界不连续分布 ,降低合金热稳定性能 ;70 0℃热暴露 10 0 h,Ti5Si3相明显 ,大大降低合金热稳定性能 ,合金呈脆性沿晶界断裂 ;采用等温锻造工艺5 4 0℃热暴露 10 0 h,晶内析出粗大的 Ti5Si3相和α相 ,热稳定性能严重降低 ,呈宏观脆性断裂。采用常规锻造工艺合适的热处理制度 ,5 4 0℃ ,10 0 h,2 5 0 MPa蠕变作用后 Ti5Si3相沿晶界不连续分布 ,合金有较好的蠕变性能 ;若热处理工艺不当 ,合金中有大量粗大的棒状 Ti5Si3相和α相析出 ,Ti5Si3相沿晶界连续分布 ,合金的蠕变抗力明显降低 ;采用等温锻造工艺蠕变作用后 ,合金中析出大量粗大的α相 ,合金蠕变抗力也明显降低。

1200MPa级新型高强韧钛合金

随着飞机结构件用钛量的大幅度增加,对钛合金的性能要求也随飞机设计概念的改变而改变,在追求钛合金高强度的同时,也要求合金具有高的韧性。为设计一种强度高于1200 MPa、断裂韧性大于65 MPa·m^(1/2)的新型高强高韧钛合金,在计算合金Mo当量的基础上,合金设计时综合考虑了合金元素对α相、β相的强化和韧化的影响,以及微观组织对强韧性的影响,设计获得一种新型高强高韧富β型的钛合金Ti-5321。实验室条件下30 kg铸锭和中试条件下500 kg铸锭试制的棒材在较理想的显微组织下,新设计的合金室温抗拉强度大于1200 MPa、延伸率大于8%、断裂韧性大于65 MPa·m^(1/2),相比于现有高强高韧钛合金,显示出明显优势。

Ti40合金的阻燃性能及其阻燃机理分析

采用ＤＣＳＢ法和金属液滴实验法评价Ｔｉ４０阻燃钛合金的阻燃行为，并初步分析影响钛合金抗燃烧的因素和阻燃机理。结果表明：Ｔｉ４０合金具有良好的阻燃性能；低熔点，高热导率和单一稳定β组织的钛合金具有良好的阻燃性能；推导出合金抗燃能力的表达式，该表达式表明抗燃能力还与实验条件和试样尺寸有关；提出了阻止燃烧的快速散热机理和中断氧输送机理。

Ti-Cu-Al合金的阻燃特性和微观组织

研究了Ti－Cu－Al阻燃钛合金的阻燃性能和微观组织。结果表明：Ti－Cu－Al合金有良好的阻燃性能，合金的微观组织为a＋Ti2Cu，Ti2Cu分布均匀。随Cu含量或退火温度升高，Ti2Cu颗粒长大，合金性能恶化。合金中是否含有合金元素Al对它的组织结构影响不大。

高度稳定化β型Ti40阻燃钛合金的动态再结晶行为

采用热压缩试验方法,对高度稳定化的β型Ti40阻燃钛合金的动态再结晶行为进行了研究。结果表明,Ti40合金的动态再结晶形核机制为亚晶形核、晶界弓出形核和位错塞积形核等多种机制;Ti40合金高温塑性变形后,空冷及850℃退火的再结晶晶粒呈现混晶现象;1000℃退火,再结晶晶粒充分长大,是完全再结晶的结构特征。

热处理对Ti40阻燃钛合金热稳定性能的影响

针对Ti40合金,设计了5种热处理工艺,并将5种工艺归为3类:中温退火、高温淬火+预时效+时效及高温退火+中温退火+时效。分别测试了Ti40合金在3类热处理工艺下的室温力学性能及500℃、550℃热暴露100h的热稳定性能,并分析了合金的微观组织。结果表明,不同的热处理工艺下,合金室温力学性能相差不大,而热稳定性能变化较大;直接中低温退火后合金的热稳定性能最好,其原因主要是由于中低温退火后,合金组织中保留一部分锻造的高密度位错等缺陷,并且晶界曲折不平,这使得在热暴露过程中,单位晶界析出物的数量减少,弱化了晶界析出物对合金热稳定性能的不利影响。

阻燃钛合金

介绍了现有几种阻燃钛合金的发展、物理机械性能、应用、阻燃性能检测方法及尚需解决的问题等。阻燃，钛合金。

高强高韧损伤容限型钛合金TC21研制

介绍了西北有色金属研究院新研制的高强高韧损伤容限钛合金TC2 1的情况。合金经实验室、中试及工业规模 3个周期的深入研究 ,其各种力学性能稳定 ,具有良好的强度、塑性、断裂韧性、裂纹扩展速率的匹配 ,是 1种非常有应用前景的高强高韧损伤容限型结构钛合金。

两种Ti-V-Cr阻燃钛合金的热稳定性能

研究了Ti-35V-15Cr(A)和Ti-25V-15Cr(B)两合金在不同温度、时间和拉应力条件下热暴露后的热稳定性能。结果表明,随着热暴露温度升高,合金性能恶化。600℃热暴露,B合金性能恶化的根本原因是表面氧化,A合金则是由于表面氧化与组织变化的共同作用。热暴露时间延长,合金塑性下降;热暴露拉应力增大,合金塑性有所提高;A合金540℃热稳定性较B合金差,两合金540℃热暴露塑性下降的主要原因来自于热暴露过程中微观组织的变化,其次为表面氧化。高钒含量A合金中的α相比低钒含量B合金中的α相更易聚集于晶界。晶界α相的析出和长大,是合金性能恶化并发生沿晶断裂的主要原因。

典型β型钛合金元素Cu,Fe和Cr的偏析规律

通过对Ti-2.5Cu,Ti-3Fe,Ti-3Cr,Ti-13Cu-1Al,Ti-6Al-1.7Fe几种合金铸锭成分的对比研究,建立了典型β钛合金元素的偏析模式。对Ti-2.5Cu,Ti-3Fe,Ti-3Cr合金铸锭的对比可知,Cu和Fe元素的偏析程度大,Cr元素的偏析程度小;对Ti-2.5Cu和Ti-13Cu-1Al合金铸锭的对比可知,Cu元素在2种合金铸锭中的偏析均比较明显,Cu含量越高,偏析程度越大;Cu元素在2种合金铸锭的晶界有截然不同的偏析方式,Cu元素在Ti-13Cu-1Al的晶界富集而在Ti-2.5Cu的晶界贫化。对Ti-3Fe和Ti-6Al-1.7Fe合金铸锭的对比可知,Fe元素在2种合金铸锭中的偏析均比较明显,Fe含量越高,偏析程度越严重;Fe元素在2种合金铸锭的晶界均贫化。

Ti14钛合金半固态氧化和变形行为研究

采用Gleeble-1500热模拟试验机研究了Ti14阻燃钛合金在990℃以上半固态条件下的氧化和变形行为,利用金相显微镜观察变形前后及氧化的微观组织形貌,采用X射线衍射(XRD)仪分析氧化层的组成,利用线扫描分析氧化层中元素分布。结果表明,半固态氧化温度升高,氧化增重急剧增加,表面氧化层中只存在Ti的氧化物,不存在Cu的氧化物,表面形成5层氧化层结构,熔融的晶界是氧向基体内扩散的优先通道;Ti14合金半固态变形中,晶界、晶内的Ti2Cu相熔融长大,形成宽化的晶界和网格状结构。