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Ti6Al4V选区激光熔化及其与Ti-C-Al体系燃烧合成焊接基础研究

王建宏  
【摘要】:随着航天工业的发展,对小推力姿控轨控火箭发动机的要求越来越高,型号产品更新换代速度也越来越快。喷注器制造周期长及其与燃烧室焊接性能差等问题制约了姿轨控发动机的性能和发展速度。本文提出采用选区激光熔化(SLM)技术制备喷注器,然后通过燃烧合成(CS)工艺制备燃烧室的同时原位焊接喷注器的设想。基于此,论文对Ti6Al4V钛合金的SLM技术及其与Ti-C-A1体系的CS原位焊接技术进行了基础性研究。 本论文对Ti6Al4V钛合金的SLM工艺、致密化机理和温度场数值模拟等进行了系统而深入的研究,旨在提高SLM钛合金零件的成形质量和致密度。在此基础上,通过SLM方法制作了用于研究异种材料CS焊接所用的钛合金环作为基体材料,选择Ti-C-Al体系作为焊料,研究了点火方式、压坯密度、Al含量等对Ti-C-Al体系/Ti6Al4V钛合金CS焊接接头性能的影响,并对Ti-C-Al体系CS的热力学和宏观动力学及该体系与Ti6Al4V钛合金CS焊接机理进行了研究。 论文主要研究内容和结论如下: (1)选择波长为1064nm的Nd:YAG激光器,加装了传动系统和气体保护系统,使之能成形钛合金零件。 (2)研究了粉末特性和成形工艺参数对Ti6Al4V钛合金SLM试样致密度的影响机理。用于SLM的Ti6Al4V粉末分布范围较窄,不利于铺粉致密化,采用尺寸比为0.1左右的二组分Ti6Al4V粉末进行混合级配,将铺粉密度提高到接近70%;能量密度对最终试样的致密度有很大影响,为了保证层间的冶金结合和最终试样的致密度,要求激光功率密度超过10~6W/cm~2;根据激光传输深度和粉末性能这两个因素,确定钛合金成形层厚为0.1mm。 (3)通过单道、单层和块体SLM成形实验,系统地研究了工艺参数(激光功率、扫描速度、扫描路径、搭接率等)对钛合金成形特性和致密度的影响,得到了Ti6Al4V钛合金粉末SLM最佳扫描策略为回填变向扫描;最佳工艺参数为:激光功率400W、搭接率1、扫描速度750mm/min;分析了Ti6Al4V粉末SLM试样的力学性能,与传统Ti6Al4V合金性能相比,拉伸性能略低,但是硬度较高。 (4)应用有限差分法建立了Ti6Al4V粉末SLM成形过程温度场的数学模型,并运用该数学模型编制了钛合金粉末SLM过程温度场仿真软件,实现了单道和单层的温度场模拟。为验证所建模型及所编软件的正确性,利用测温系统对粉末层表面下0.1mm处的某一点进行验证测温,结果表明实测温度曲线与模拟温度曲线基本吻合。进一步对单道扫描与单层扫描的温度场模拟结果表明:随着扫描速度增加,熔池的宽度和深度都减小,熔池处的最高温度也明显下降;采用回填变向扫描策略温度累积效应最小。 (5)研究了点火方式、压坯密度、Al含量等对Ti-C-Al体系CS原位焊接Ti6Al4V接头性能的影响。通过比较认为在热爆-加压方式下焊缝处温度最高,达到1539℃,焊接界面存在明显的过渡区,剪切强度为68.33MPa;压坯密度对CS焊接影响显著,增加压坯密度可改善接头性能,但过高的压坯密度也会使热量散失加剧,引起接头性能降低,甚至不连接,合适的压坯密度在60%左右;Al含量对压坯合成产物的晶粒大小和焊接接头性能有很大影响,40%的铝含量可使CS反应产物致密,接头性能也较好。 (6)对Ti-C-Al体系CS反应热力学和动力学,进行了深入的研究,并且在此基础上,建立了反应生成的宏观动力学模型。 (7)根据焊接界面浓度场方程,对Ti-C-Al/Ti6Al4V焊接界面的浓度场进行了分析,并用焊接界面能谱分析结果进行了验证。在此基础上,从微观结构方面进一步阐述了界面过渡区相结构的形成机理,建立了CS焊接界面元素扩散和固相反应模型。 总之,本文验证了通过SLM+CS焊接复合成形技术实现金属陶瓷复合构件一体化快速加工的可行性。利用SLM实现了Ti6Al4V致密成形件,致密度达到95.57%,为下一步成形复杂钛合金零件提供了实验基础。利用CS反应实现了Ti-C-Al金属间化合物与钛合金异种材料焊接,获得了焊接接头的较大剪切强度,证明了所选材料体系、所设计的成分及所采用的方法是可行的。本文首次研究了Ti-C-Al金属间化合物与钛合金CS焊接界面的微观组织结构及界面附近元素的扩散机制,所得出的研究结论对于进一步开展异种材料CS焊接的研究奠定了一定的基础。


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