铣削激光增材制造TC4钛合金铣削力的研究

为满足工件的表面质量的要求,对激光增材制造的TC4钛合金进行铣削加工,从而可以实现更高精度的加工要求。为研究铣削用量对铣削激光增材制造钛合金的铣削力的影响,建立了铣削激光增材制造(selective laser melting, SLM) TC4钛合金的仿真模型;另外,采用与仿真模型相同的铣削用量进行了铣削试验,对仿真和试验结果进行了极差分析。分析结果表明,轴向切深a_(p)对铣削力影响程度最大、其次为铣削速度v_(c)和每齿进给量f_(z)。最优铣削参数为铣削速度v_(c)=55 m/min,每齿进给量f_(z)=0.04 mm/z,轴向切深a_(p)=0.3 mm。铣削仿真和试验的误差对比分析结果表明,所建立的铣削仿真模型是合理可行的,因此,基于此铣削仿真模型,采用单因素试验法进行了仿真和铣削试验,研究结果表明,随着铣削速度、轴向切深和每齿进给量的增大,铣削力增大,但当铣削速度超过75 m/min时铣削力反而减小。

不同热处理工艺下激光增材制造TC4钛合金组织与性能研究进展

由于激光增材制造(Laser Additive Manufacturing,LAM)TC4钛合金加工成形过程的特殊性,导致该合金在力学性能上存在明显的各向异性,同时韧性、疲劳性能不能很好地满足使用要求。从材料组织与力学性能之间的关系出发,介绍了不同热处理工艺对激光增材制造TC4钛合金组织与力学性能的影响,指出了当前激光增材制造TC4钛合金热处理研究中存在的问题,并为后续激光增材制造TC4钛合金的热处理研究提供思路与方向。

激光增材制造体育器材用TC4钛合金疲劳裂纹扩展行为研究

目的揭示应力比对增材制造TC4钛合金疲劳裂纹扩展行为的影响规律。方法采用紧凑型拉伸试样,在恒载荷幅条件下对激光增材制造TC4钛合金进行了应力比为0.1、0.3和0.5的疲劳裂纹扩展实验,定量评价了不同应力比下合金的疲劳裂纹扩展速率和变化规律。基于Paris公式对裂纹扩展速率进行了拟合,分析了应力比对各参数的影响规律。最后通过扫描电镜对断口表面形貌进行了观察,分析了应力比对断裂模型的影响。结果在相同的∆K条件下,疲劳裂纹扩展速率随着应力比的增大而增大。在Paris公式中,参数C随应力比的增大而减小,参数m随应力比的增大而增大,并且m和lgC呈现线性关系。随应力比的增大,断口表面的河流花样增多、疲劳辉纹变浅、二次裂纹数量增加。结论应力比引起的裂纹尖端闭合效应和平面应力比变化是导致裂纹扩展速率发生改变的主要原因。

大厚度TC4钛合金激光增材连接过程分区组织调控

针对大厚度钛合金构件激光增材连接过程中热累积效应导致的组织粗化及性能劣化问题,本文开展了微观组织分区调控研究,分析了厚板不同位置的晶粒尺寸与析出相形态随着激光功率与扫描速率的变化规律,形成了激光增材连接件分区组织调控方法。结果表明:通过改变激光功率来调控组织形态的参数灵敏度较高,针对激光增材连接过程热累积效应导致的组织粗化问题,需改变激光扫描速率来调控试样中上部及顶部的组织形态。当激光有效能量为5.46×10^(5) J时,增材连接试样的抗拉强度高达915 MPa左右,同时断口韧窝尺寸较大,材料塑韧性较优异。因此,在激光增材连接过程中进行分区组织调控,可实现连接件整体力学性能的显著提升。

Nb对激光增材制造TC4沉积态组织与性能的影响

通过激光同轴送粉增材制造技术制备了TC4与TC4+Nb沉积态样件,研究了Nb对TC4沉积态显微组织、相组成及力学性能的影响规律。结果表明,TC4与TC4+Nb沉积态的组织均由大量α-Ti及少量β-Ti构成。随着Nb含量从0增加到8%,TC4沉积态的原始β-Ti和初生针状α-Ti平均晶粒尺寸逐渐减小,初生针状α-Ti尺寸减小了67.4%;同时网篮组织得到细化,β相含量明显增加。添加Nb能够显著提高TC4沉积态样件的拉伸性能,TC4+6%Nb沉积态样件拉伸性能最优,满足锻件标准要求。

模拟体液环境下增材制造各向异性对TC4合金腐蚀磨损性能的影响

为揭示在体液环境中选择性激光熔化技术(SLM)制备的不同取向的TC4合金耐腐蚀磨损性能差异,采用摩擦与电化学联用的腐蚀磨损测试方法,在0.3~1.0 N载荷下,在PBS磷酸盐缓冲液中研究不同取向(0°、45°、90°)的TC4合金试样以及传统锻造态TC4合金试样的腐蚀磨损性能。研究结果表明:SLM增材制造TC4合金试样在不同取向上均以细针状α′相(hcp)为主以及少量β相(bcc),导致SLM试样的平均显微硬度明显高于锻造态TC4合金;不同取向试样的α′相和β相含量有细微的差异,其中0°取向的试样因其最多的α′相而表现出最高平均显微硬度;TC4合金在较低载荷时主要磨损机制为磨粒磨损,在较高载荷时转变为以腐蚀磨损为主,而0°取向的SLM试样因其大量且均匀细小的高强度细针状α′相而表现出最高的耐蚀性和抗腐蚀磨损性能;载荷为0.5 N时,研究的4种试样表现出最大的磨损率差异,其中0°取向试样的磨损率相比45°、90°取向试样和锻造态TC4合金试样分别降低了41.6%、54.7%、75.7%。研究表明,由增材制造逐层堆积方式引起的TC4合金的各向异性会对腐蚀磨损性能造成显著影响,这在医用植入物中为提升具体摩擦面的腐蚀磨损性能而优化增材制造的结构设计具有一定的借鉴意义。

激光增材连接TC4-DT钛合金的组织及力学性能

采用激光增材连接技术对“X”型坡口TC4-DT钛合金锻件进行连接,利用OM和SEM对连接后TC4-DT钛合金基材、热影响区和连接区三个区域的宏微观组织形貌进行表征分析;采用维氏硬度计测量三个区域的显微硬度;采用万能试验机和摆锤冲击仪对不同取样类型的试样进行室温拉伸和冲击实验。结果表明:激光增材连接区与基体形成致密的冶金结合;显微硬度分布从基材到连接区呈递增趋势;随着拉伸试样中连接区占比的降低,TC4-DT钛合金的强度表现为先升高后降低,而塑性却呈现降低的趋势;冲击韧性a kU均在55 J/cm^(2)以上,U型缺口开口方向对连接区冲击韧性影响较大,对结合区冲击韧性无明显影响。

热处理对增材制造TC4钛合金组织结构及耐蚀性能的影响

增材制造TC4钛合金存在亚稳态相结构,其对合金的组织结构和耐蚀性有着明显的影响。基于此,对增材制造TC4钛合金进行了不同工艺的热处理,采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、残余应力测量和电化学分析等研究了热处理对增材制造TC4钛合金组织结构、残余应力与耐蚀性能的影响。结果表明:热处理工艺对TC4钛合金的组织结构具有重要影响,当钛合金在940℃以上保温1 h后冷却,组织由亚稳态α′相转变为α+β相及少量次生α相,与炉冷相比,水冷条件下钛合金β相含量更高;当热处理温度为800、940和1080℃时,钛合金表面的残余应力值较低;钛合金的耐腐蚀性能与组织结构和残余应力有着密切关系,钛合金中α相晶粒越细小,β相含量越高,残余压应力值越大,其耐蚀性越好。当热处理温度为1020℃时,钛合金表面残余压应力值为470 MPa,耐蚀性能良好。

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。

增材制造和锻造TC11钛合金激光焊接头组织与力学性能

采用增材制造方法制备航空航天大尺寸构件经常会受到加工效率、设备最大加工尺寸的限制,开发增材制造和焊接相结合的复合制造技术有望解决这一问题.因此,开展了增材制造和锻造TC11钛合金激光焊试验,研究了增材制造TC11(TC11-AM)/锻造TC11(TC11-R),TC11-AM/TC11-AM和TC11-R/TC11-R 3种接头的焊接性,开展了焊接接头微观组织、硬度和拉伸试验,并观察了拉伸试样的断口形貌.结果表明,3种接头的焊缝区均未发现明显的气孔缺陷.由于熔池温度梯度大、冷却速度快,焊缝组织均为内部布满α′马氏体相的粗大柱状晶粒.3种接头抗拉强度分别约为1575,1687 MPa和1593 MPa.TC11-R/TC11-R接头和TC11-AM/TC11-AM接头横截面显微硬度呈高斯分布,硬度值分别为445 HV±31 HV和424 HV±6 HV.由于接头不同区域的组织差异明显,TC11-AM/TC11-R接头显微硬度呈台阶状分布,硬度值为432 HV±21 HV.3种接头的拉伸试样均为韧性断裂,发现断裂面均有大量韧窝.通过对比接头的抗拉强度可知,TC11-AM/TC11-R接头和TC11-AM/TC11-AM接头具有良好的焊接性.创新点:(1)对比分析了TC11-AM/TC11-R,TC11-AM/TC11-AM和TC11-R/TC11-R 3种接头的微观组织和力学性能的差异.(2)研究了不同母材状态下焊接接头维氏硬度分布特征的影响规律.

激光电弧复合增材制造钛合金的组织和性能研究

为研究热输入对墙体宏观形貌、显微组织及力学性能的影响,用激光-MIG电弧复合热源对TC11钛合金丝材进行增材制造。结果表明:墙体柱状晶内组织都以条状α集束和α+β集束组织为主,存在明显的β相界,但堆积速度小的柱状晶中马氏体α′相尺寸较大;在堆积层重熔区中不同区域的初生α相和α+β网篮组织尺寸差异显著,堆积速度较大时的组织更细密;在墙体边界,堆积速度大时存在一定针状马氏体α′相,而堆积速度小时针状马氏体相对较少;热输入大的墙体抗拉强度比热输入小的提高2%,伸长率和断面伸缩率相近,且水平方向上墙体硬度更高,塑性更好。

醇盐体系增材制造钛合金的电化学抛光机理

电化学抛光是增材制造TC4钛合金表面处理的方法之一采用循环伏安、交流阻抗、计时电流及X射线光电子能谱仪(XPS)等测试方法,研究了乙二醇-氯化钠电解液中增材制造TC4钛合金的电化学抛光行为结果表明,钛合金在乙二醇-氯化钠体系中的氧化过程是Ti→TiO→Ti_(2)O_(3)→TiO_(2)施加不同的电位,影响钛合金表面氧化膜(也可称为钝化膜)厚度的演化,随着施加电位的增大,氧化膜厚度先增大后减小根据氧化膜厚度的变化规律提出两步抛光法,与单一钝化区电位抛光相比,两步抛光法抛光速率更大在25 min时钛合金表面取得了最佳抛光效果,此时粗糙度为26μm.

基于钛合金丝材的增材制造技术研究进展

金属增材制造技术自诞生以来,经快速发展,已在诸多领域得到了广泛的应用,被列入决定未来经济的十二大颠覆性技术之一。基于丝材的金属增材制造技术由于其沉积效率高、制造成本低、制造周期短和材料利用率高,近年来成为国内外研究和应用的热点。本文以钛合金丝材为原材料,针对广泛采用的电弧/等离子弧熔丝、电子束熔丝和激光熔丝增材制造技术,分别从成形工艺参数优化、宏微观组织结构分析、后热处理组织性能调控及专用原材料开发等方面所取得的最新研究成果进行了详细论述。在此基础之上,介绍了基于钛合金丝材的增材制造在工程化应用及相关标准规范的制定情况。最后,指出钛合金丝材增材制造技术在组织和性能等方面存在的固有不足,提出了采用锻造+增材复合成形复合后处理和专用丝材研制等方法,并建立有别于传统锻造和铸造的新标准体系,有助于推广其在各领域的大规模应用。

镍夹层添加对激光熔丝增材制造钛/钢金属复合材料界面组织与性能影响研究

针对钛/钢复合材料增材制造过程中易形成脆性Ti-Fe金属间化合物、恶化界面性能的问题。选择镍(ERNi-1)作为夹层,采用激光熔丝增材制造技术实现了TC4/309L复合材料的一体化制备。重点分析了Ni夹层添加对于界面组织与性能的影响,结果表明:添加Ni夹层的钛/钢复合材料的界面主要由Fe/Ni界面和Ti/Ni界面组成。其中,对于Fe/Ni界面Fe和Ni形成了无限固溶体,且未发现明显的裂纹和气孔等缺陷,实现了良好的冶金结合;在Ti/Ni界面中含有TiFe、TiNi_(3)、TiNi、Ti_(2)Ni等多种脆性金属间化合物,界面最大硬度达到670.1 HV。界面结合强度的微区拉伸试验显示,其结合强度为30.5 MPa,断裂于Ti/Ni界面位置,呈脆性断裂特征。

送粉式激光增材制造TC4钛合金熔覆层组织及电化学腐蚀行为的研究

采用激光增材制造(LDM)技术在TC4钛合金基体表面制备了TC4钛合金熔覆层,研究了不同扫描速率下制备的熔覆层的组织、显微硬度以及其在H_2SO_4溶液中的抗电化学腐蚀性能。结果表明:熔覆层的主要物相为α-Ti,且在β晶界附近生成了细针状α′马氏体,组织呈正交状网篮结构;随着扫描速率增大,熔覆层的平均显微硬度先增大后减小,腐蚀电流密度先降低后升高,电荷转移电阻先增大后减小,即其耐蚀性先增强后减弱;当扫描速率为10 mm/s时,熔覆层具有最大的平均显微硬度(390 HV)、最小的腐蚀电流密度(1.2337μA·cm^(-2))、最大的电荷转移电阻(11500Ω·cm^(-2)),此时的熔覆层具有较好的抗电化学腐蚀性能。

激光冲击强化对激光增材制造TC4钛合金组织和性能的影响

通过对激光增材制造(LAM)TC4钛合金表面进行激光冲击强化(LSP),对比研究了LSP处理对LAM-TC4钛合金微观组织、力学性能和断口形貌的影响。LAM-TC4钛合金的原始组织由大量粗大的α板条及一定数量的板条间β相构成。经LSP处理后,表层组织在高能冲击波的作用下,原始粗大的α板条破碎细化,形成了大量位错和形变孪晶,导致晶格畸变。LSP处理使LAM-TC4钛合金的残余应力由残余拉应力转变成残余压应力。LSP处理后LAM-TC4钛合金表面存在的最大残余压应力为-190 MPa,显微硬度提高了16.5%,显微硬度随深度的增加而减小。此外,经LSP处理后,LAM-TC4钛合金的屈服强度和抗拉强度较LSP处理前分别提高了46.3%和32.3%,塑性基本维持不变。LSP处理可使LAM-TC4钛合金获得更好的强度和塑性匹配。

激光选区熔化复合制造TC4钛合金组织性能研究

采用选区激光熔化技术(SLM)在锻造后的TC4合金基体上制备TC4钛合金增材锻件复合成形件,并采用金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、显微维氏硬度计和拉伸试验机等试验设备,分析了不同SLM参数下TC4钛合金复合成形件微观组织及力学性能。结果表明:复合试样微观组织分为锻件基体区、结合区以及增材区三个区域。增材区与锻件区之间界线清晰,无未熔合、气孔、裂纹等缺陷。锻件区组织为等轴组织,增材区为相互交错的针状α′马氏体组织。性能试验结果表明:增材区和结合区抗拉强度及屈服强度均显著优于锻件;其中结合区强度最高,增材区次之。综合考虑强度和塑性,激光功率为280 W,扫描速率为1100 mm/s下得到的复合试样拉伸性能最好。

激光增材制造TC4/TC11钛合金梯度结构温度场预测与显微组织分析

使用激光增材制造技术制备TC4/TC11钛合金梯度材料典型沉积试样,测量沉积过程中3个特征位置的温度历程,并对沉积试样进行显微组织观察。建立了激光增材制造TC4/TC11梯度材料结构温度场预测有限元模型。有限元模型的温度场计算结果与试验结果吻合较好,同时有限元模型所计算的Tβ温度转变线位置与试样显微组织中观察得到的结果一致。显微组织观察结果表明,试样中无缺陷,顶部为等轴晶区域,从增材底部到等轴晶区域之间存在贯穿整个增材区域的柱状晶;在Tβ温度转变线两侧微观组织有明显不同:最后一层增材过程中,温度超过Tβ的组织冷却后为超细α+β网篮组织,温度未达到Tβ的组织冷却后为带有大量α集束的α+β网篮组织;在设计界面(材料组分变化位置)处组织连续、无突变。

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。