电弧增材制造TC4微观组织调控及力学性能研究

目的研究固溶时效处理对电弧增材制造TC4钛合金微观组织和力学性能的影响规律,为降低增材制造TC4构件力学性能各向异性提供参考。方法设置了1组时效处理(AT,600℃/2 h/空冷)和2组固溶+时效处理(SA1,800℃/1h/炉冷+600℃/2h/空冷;SA2,870℃/1h/炉冷+600℃/2h/空冷)试验对电弧增材制造TC4钛合金进行了热处理。然后通过扫描电镜(SEM)进行微观组织形貌和断口形貌观察,以及通过拉伸试验机进行室温力学性能测试。结果沉积态试样的微观组织均匀性较差,主要由马氏体α'相、网篮组织、不连续的晶界α相(αGrain Boundary,αGB)和集束组织构成。AT并未消除马氏体α'相,但延展性获得改善。固溶+时效处理后,马氏体α'相消失,晶粒内部主要由网篮组织和αGB组成。平均抗拉强度由沉积态的999.67 MPa降低到SA2的936.46 MPa,而平均延伸率从6.23%提高到12.48%,且SA2样品显示出更低的力学性能各向异性,其中沉积态试样的力学性能各向异性值(IPA)分别为4.82(UTS)、0.96(YS)、28.7(EL)。SA2样品的各向异性值(IPA)分别为0.3(UTS)、0.42(YS)、5.56(EL)。结论固溶时效处理有助于改善电弧增材制造TC4钛合金微观组织均匀性,并显著降低力学性能的各向异性。

电弧增材制造TC4微观组织调控及力学性能研究

目的 研究固溶时效处理对电弧增材制造TC4钛合金微观组织和力学性能的影响规律。方法 设置了1组时效处理(AT,600℃/2 h/空冷)和2组固溶+时效处理(SA1,800℃/1 h/炉冷+600℃/2 h/空冷;SA2,870℃/1 h/炉冷+600℃/2 h/空冷)策略,对电弧增材制造TC4钛合金进行了热处理试验。通过扫描电镜(SEM)进行微观组织形貌和断口形貌观察,通过拉伸试验机进行室温力学性能测试。结果 沉积态试样的微观组织均匀性较差,主要由马氏体α’相、网篮组织、不连续的晶界α相(α Grain Boundary,αGB)和集束组织构成。AT并未完全消除马氏体α’相,但提高了其延展性。经固溶+时效处理后,马氏体α’相消失,晶粒内部主要由网篮组织和αGB组成。平均抗拉强度由沉积态的999.67 MPa降低到SA2的936.46 MPa,而平均延伸率从6.23%提高到12.48%,且SA2样品显示出更低的力学性能各向异性。其中沉积态试样抗拉强度、屈服强度和延伸率的各向异性值(IPA)分别为4.82、0.96和28.7。SA2试样抗拉强度、屈服强度和延伸率的IPA分别为0.3、0.42和5.56。结论 固溶时效处理有助于提高电弧增材制造TC4钛合金微观组织均匀性,并显著降低力学性能的各向异性。

热处理对电弧增材制造TC4钛合金组织和性能影响的研究进展

电弧增材制造(WAAM)TC4钛合金相比传统制造工艺具有成本低,沉积速率高等优势,应用前景广阔。然而电弧沉积过程会使材料微观组织结构不均匀、产生残余应力,造成其力学性能的各向异性,故需采用合适的热处理工艺以消除不利影响、进一步满足使用性能要求。本文综述了近年来国内外关于热处理调控电弧增材制造TC4合金组织性能方面的相关文献,全面分析了热处理对TC4合金等轴晶形成及细化的影响机制,讨论了热处理工艺对TC4合金强度、塑性、硬度、疲劳、抗蠕变等力学性能的影响因素与作用机理,最后对WAAM热处理工艺对调控TC4合金组织和性能的研究进行了展望。

电火花线切割TC4钛合金棱角质量控制方法研究

为提高电火花线切割加工TC4钛合金时的棱角加工质量,结合电火花线切割加工特点及正交试验,采用脉宽、通道、跟踪以及丝速的四因素组合下测出加工工件不同角度的棱角质量缺损情况,研究不同切割角度下工件缺损的主要影响参数,得出各个角度最小缺损情况下的切割最佳参数。研究表明:在脉宽为9μs,跟踪值为4,通道为5个,运丝速度为50m/min时的TC4钛合金棱角缺损面积最小为0.032mm 2;在脉宽为32μs,跟踪值为2,通道为7,运丝速度为50m/min时,材料切割速度最快为9.7mm 2/min。

TC4钛合金激光填丝焊接工艺研究

针对钛合金激光自熔焊对毛坯和装夹精度要求高,焊接后表面存在凹陷、咬边、不饱满等问题,对1 mm厚TC4钛合金进行激光填丝焊试验,研究了焊丝送入条件、离焦量和送丝速度对焊缝成形质量的影响,并优选工艺参数,分析了焊接接头的显微组织、硬度和拉伸强度。结果表明:在工艺参数为离焦量+2 mm、激光功率800 W、焊接速度20mm/s、送丝速度25 mm/s、送丝角度50°、丝光间距0 mm时进行激光填丝焊,焊缝表面未出现凹陷、不饱满等缺陷,且焊缝微观组织致密。焊接接头的平均抗拉强度为1287 MPa,大约是基材的1.32倍,比激光自熔焊提高了20.96%左右。

电弧增材制造TC4钛合金宏观晶粒演化规律

由于电弧增材制造是目前众多增材制造方法中的研究热点之一,且TC4是研究最广泛的钛合金,因此本工作研究了电弧增材制造TC4直壁墙的宏观组织演变。首先通过单道单层实验修正双椭球热源模型的形状参数,应用修正后的模型模拟四组直壁墙成形过程中的温度场及温度变化速率,通过模拟结果分析组织的演变规律。直壁墙底部为等轴晶组织,上部为柱状晶组织。低焊接电流有助于等轴晶的形成,但等轴晶区的尺寸及等轴晶的大小与线能量密度无关。

电弧增材制造技术及其在TC4钛合金中的应用研究进展

增材制造是于20世纪80年代中期发展起来的一门新兴技术,因能快速精确地制造出形状复杂的结构件而受到广泛关注。电弧增材制造是以电弧为热源,采用逐层堆焊的方式制造出致密的金属构件,具有制造成本低廉、成形效率高的突出特点,在大尺寸、复杂零件的快速成形技术中表现出明显的优势,因而在航空航天、汽车船舶等领域有广阔的应用前景。TC4的化学活性高、热导率低、强度高,具有优异的综合力学性能,是应用最广泛的钛合金。TC4并不适合采用传统的加工方法制备,因此采用电弧增材制造的方法成形TC4结构件。但成形件典型的宏观组织为外延生长的柱状晶,导致其力学性能存在各向异性。本文综述了电弧增材制造的发展历史,结合该技术的特征及国内外研究现状,介绍了电弧增材制造TC4钛合金成形件的组织及性能方面的研究进展。

低速单向走丝电火花线切割钛合金TC4表面粗糙度试验研究与建模

低速单向走丝电火花线切割在钛合金加工领域有着不可替代的作用和地位,但微观放电的复杂性决定了其难以建立有效的表面粗糙度数学模型,同时现有机床系统中并没有针对钛合金材料的加工参数。以钛合金TC4为试验研究对象,采用Design-Expert设计Box-Behnken试验并通过三维轮廓仪和扫描电子显微镜对加工后的表面形貌、功率频谱和重熔层进行分析。观测结果表明:电火花加工表面没有明显纹理,为各向同性,不同于磨削加工表面;当峰值电流为40 A,开路电压为100 V,脉冲宽度为18μs时,裂纹延伸至TC4基体。利用响应曲面法通过模型选择和显著性检验得出三维表面粗糙度的2阶数学模型,能正确地映射出低速单向电火花线切割钛合金的工艺规律。为了提高模型预测精度和泛化能力,引入BP神经网络建立组合模型,试验验证结果表明:样本内相对误差均值由4.33%降低到3.26%,样本外相对误差均值由13.31%降低到8.50%,为电火花加工工艺仿真提供新的方法和途径。

TC4钛合金电火花线切割拐角误差控制技术研究

电火花线切割在加工拐角时,会产生电极丝滞后弯曲等现象,导致拐角加工精度降低。针对这一问题,采用正交试验法对TC4钛合金进行拐角加工,研究脉宽、放电间隙、功率放大管数以及变频值参数对直线圆弧拐角的影响,并对试验结果进行极差分析以及方差分析,寻找最优参数组合,确定各参数对试验结果的影响程度,实现对拐角加工误差的有效控制。试验结果表明,对于直线-圆弧拐角误差,放电间隙B和功率放大管数C影响显著,其最优参数组合:脉宽为20μs、放电间隙为12μm、放电通道为6个以及变频值50Hz,拐角误差为183.27μm。对于圆弧-直线拐角误差,脉宽A、放电间隙B和变频值D因素影响显著,其最优参数组合:脉宽为28μs、放电间隙为8μm、放电通道为4个以及变频值50Hz时,拐角误差为224.12μm。

工件超声振动对TC4钛合金快走丝电火花线切割加工表面质量影响的研究

进行了4组对比试验,研究了工件超声振动对TC4钛合金快走丝电火花线切割加工的表面粗糙度及其表面形貌的影响。结果表明:与TC4钛合金快走丝电火花线切割加工相比,在工件上附加超声振动以后,TC4钛合金工件表面粗糙度得到降低,但改变幅度都不一样。在电参数为功率管数2个,脉冲宽度16μs,脉冲间隔比为6时,表面粗糙度改变幅度最大。对比无超声振动,发现在工件上附加超声振动以后,形成的小凹坑更加均匀规则,且小凹坑的边缘更加光滑。

TC4钛合金薄板激光填丝焊接头成形与组织研究

采用2 kW光纤激光器及焊接机器人对1 mm厚TC4钛合金薄板进行了激光填丝拼焊试验,研究了激光焊接工艺参数对接头截面尺寸和组织的影响。结果表明：激光功率的变化对焊缝熔深影响最大。在焊接功率不变的情况下,焊接速度的变化对焊缝熔深和熔宽的影响最大,送丝速度的变化对焊缝上堆高和下余高影响最大。随着激光功率的增加,焊缝区晶粒粗大,晶粒内部针状马氏体数量增多且方向性较差,Al元素烧损较为明显,Ti元素含量略有上升。

40mm厚TC4钛合金窄间隙激光填丝焊接头组织及性能

利用窄间隙激光填丝焊接工艺完成了40 mm厚TC4钛合金的焊接,通过OM、SEM、EDS、XRD、EBSD等测试方法对接头各区域进行微观组织和结构分析,并测试了其力学性能。结果表明,焊缝截面整体成形良好,无明显未熔合与气孔缺陷。接头三个区域的显微组织相同:焊缝柱状晶内部分布着密集排列的针状α′马氏体和弥散分布的颗粒状的α_(g)相,同一β晶粒内部α′择优取向,大角度晶界比例较高。焊缝中心各区都是典型的α′+β双相结构。热影响区为过渡态组织,越靠近焊缝侧,其组织形态与焊缝处越相似,焊接过程中Al元素向热影响区发生了扩散。焊接接头焊缝区整体硬度高于母材,盖面区最高,平均值约为380HV。接头的抗拉强度最大值为954 MPa,拉伸试样均断在母材,断口为韧性断裂,接头各区室温冲击性能均低于母材。

TC4钛合金低压电子束熔丝沉积层组织与性能

对TC4钛合金进行了低压电子束熔丝沉积试验,探究了该方法的可行性,并分析了沉积层数对微观组织和性能的影响.结果表明,在加速电压为10 kV的低压时也可完成TC4钛合金的多层熔丝沉积.多层沉积之后得到的沉积件的平均显微硬度在260 HV左右,只有沉积件底部条带状纹理聚集处的显微硬度接近退火态TC4基材的288 HV.条带状纹理产生于多层沉积的过程之中,β相晶粒受热循环影响而发生了β→α+α′+β的转变,其中硬度较高的网篮状α′相与片状的α相组成了条带状纹理,该显微组织的特点是随着与基板距离的增加,网篮状组织逐渐融入片状组织.沉积件的拉伸断裂形式为韧性断裂,最高抗拉强度为862 MPa,略低于国家标准,这是因为在多层沉积的沉积件中β柱状晶会变得巨大,同时还会出现等轴晶,晶粒的巨大化使得沉积件的抗拉性能出现了下降.

TC4线材辊模拉拔工艺研究

论述了目前钛线材生产的现状,结合工作实际对此做了工艺技术研究,提出了一种高效生产TC4钛线材产品的方法,并在实际生产应用中获得成功。

CMT电弧增材制造TC4钛合金的显微组织与力学性能

采用冷金属过渡(CMT)电弧增材制造技术制备了TC4钛合金样品,测试了沉积态试样的拉伸性能、冲击性能和疲劳性能,讨论电弧增材制造钛合金成形件的疲劳断裂机理。结果表明:经历CMT工艺条件下的快速熔凝过程后,钛合金成形件内宏观组织由外延生长的粗大β柱状晶组成,显微组织为细长α片层和网篮组织。成形件拉伸强度较高,达到锻件拉伸强度水平,但是塑性较低,略低于锻件塑性,且存在一定的各向异性,拉伸断口呈现半解理断裂与半韧性断裂特征。沉积态钛合金成形件具有良好的冲击性能,但冲击性能的各向异性并不显著。钛合金成形件的高周疲劳极限为460 MPa,疲劳源均形核于条状未熔合缺陷及气孔缺陷处。缺陷直径越大,距离表面越近,应力集中现象就越明显,导致样品具有较低的疲劳强度和疲劳寿命。

TC4钛合金HF-HNO_(3)化学抛光的表面质量和元素机理分析

为了提升电火花线切割(Wire cut Electric Discharge Machining,WEDM)加工后的TC4钛合金表面质量,减少表面重熔层厚度,采用不同浓度配比(1∶4、1∶6和1∶8)的HF-HNO_(3)酸蚀溶液对钛合金试件进行化学抛光处理。实验结果表明,HF-HNO_(3)酸蚀溶液能使钛合金重熔层得到显著去除,表面微裂纹得到有效控制;当HF-HNO_(3)酸蚀溶液的浓度配比为1:6时,试件能获得最低的表面粗糙度和最大的表面粗糙度下降率,并且抛光前后钛合金表面元素含量发生了不同程度的变化,Ti、Al和V元素质量分数分别提高了21.5%、41.3%和13.2%,而O、C元素质量分数分别降低了82.5%和33.6%;HF-HNO_(3)酸蚀溶液可显著改善TC4钛合金试件电火花线切割加工后的表面缺陷。钛合金重熔层结构的主要成分与化学抛光后氧化膜的主要成分相似,但与氧化膜的结构不同,这对TC4钛合金试件表面质量提升具有重要意义。

TC4钛合金丝材焊件冲击失效分析

采用钨极氩弧焊接工艺获得TC4钛合金丝材防护架,随后对其进行冲击试验,发现多处焊接点发生断裂失效。为此,研究了TC4钛合金丝材焊接处的组织、显微硬度以及断口形貌。结果表明,在快速加热及冷却的热循环作用下,焊件焊合区域产生马氏体相,主要以α'相形式存在,另有少量的α″相;焊合区域的局部显微维氏硬度平均值达5.5 GPa,是母材区域硬度值的近1.5倍;相比于TC4钛合金丝材弯曲断裂的韧性断口形貌,焊件断口存在解理台阶,为脆性断裂,这主要归结于马氏体的存在使得焊接处塑性和韧性降低。

显微组织类型对TC4钛合金丝材性能的影响

α+β两相区轧制的TC4钛合金丝材经不同工艺热处理后,获得等轴组织、双态组织和片层组织,研究了微观组织特征及其对合金拉伸性能和疲劳性能的影响。结果表明:等轴组织α晶粒最为细小且具有较高的位错密度,表现出最高强度;双态组织α相较等轴组织显著长大,位错密度明显降低,具有最好的工艺塑性;片层组织原始β晶粒粗大,塑性最低。3种组织中片层组织疲劳性能最好,当裂纹长度<250μm时,不同显微组织对应的裂纹扩展速率差异较大,片层组织的扩展速率最低,等轴组织最高;当裂纹长度>250μm时,3种组织的裂纹扩展速率无显著差异。综合考虑TC4钛合金丝材的力学性能和工艺塑性,应选择双态组织作为产品的最终组织状态。

冷却速度对电弧增材制造TC4组织性能的影响

电弧增材制造(WAAM)技术兼具生产效率高和成本低的特点,但为保证其生产的零部件的综合性能,往往需要进行后续的热处理。文中采用WAAM技术制备了TC4试样,利用光学显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪、拉伸试验机及硬度仪研究了冷却速度(950℃/2 h/WC水冷、950℃/2 h/AC空冷、950℃/2 h/FC炉冷)对TC4组织与性能的影响。试验结果表明,WC、AC及FC冷却方式下TC4试样的组织均由初生α相和β相组成,其中WC冷却方式得到的β相较多;TC4试样的组织由下至上均呈现逐渐粗化的倾向;随着冷却速度的降低,初生α相有粗化趋势,TC4试样抗拉强度降低,塑性提高;950℃/2 h/AC WAAM TC4试样力学性能超越了铸件国标要求;拉伸试样断口形貌均为塑性断裂。

TC4钛合金零件表面异常亮线缺陷分析

本文就TC4合金零件表面在氧化处理前,经过清洁、抛光后,发现存在异常亮线,通过金相组织、扫描电镜对区域合金成份进行能谱测定、显微硬度等方法分析了亮线的相关特征及产生的原因。分析结果表明:异常亮线区域A层没有V元素,仅含有Ti和Al元素,且Al元素含量仅有0.84%,合金元素明显不满足合金牌号的要求。异常亮线区域B层Al、V等主元素含量虽然满足TC4合金牌号合金成分的要求,但与基体相比,V元素含量较低,因此导致在相同加工条件下异常亮线区域B层α相含量较多。与基体相比,异常亮线区域元素含量的差异导致微观组织与基体区域不同,表现在宏观上呈现明显区别于基体的亮线区域。