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送粉式和送丝式的钛合金激光增材制造特性研究

章敏  
【摘要】:TC4作为一种最常见、应用最为广泛的钛合金,其使用量已经占到全世界钛消费品的50%以上。钛合金的传统制造技术存在很多缺点,比如容易产生粘刀、崩刀,需要大型锻压设备,生产周期长,材料利用率低,制造成本高,而且难以制造复杂形状的结构件等一系列问题。激光增材制造,也被称为激光3D打印,是一种通过层层堆积的方式将数字化模型直接制造出实体零件的一种技术。为钛合金制备提供了一种的低成本、短周期、高质量的途径,在航空航天、生物医学等领域具有重要的应用前景。 本文主要采用同轴送粉和旁轴送丝两种沉积方式进行了TC4的激光增材制造研究,对两种方式的工艺特性、组织、性能等方面进行了研究,同时研究了热处理工艺对成形件组织和性能的影响,最后对两种方式进行了比较。 在送粉式激光增材制造特性研究中,分析了激光功率、扫描速度等主要工艺参数对成形尺寸的影响规律,确立合理的工艺窗口范围;在立体成形特性研究中,重点研究了柱状晶定向外延生长的机理和工艺控制;对沉积态TC4进行了室温力学性能测试与评价。 通过金相、SEM组织观察及断口分析等手段研究了沉积态TC4的组织特征,表明其宏观组织主要是定向生长的柱状晶。微观组织全是魏氏组织,同时还发现层带组织的存在并解释了其形成机理。对沉积态TC4进行了热处理工艺研究,并分析其组织和性能的演变。研究表明,通过热处理工艺优化后的TC4成形件综合性能超过了铸件、锻件标准。 针对送丝式激光增材制造TC4存在的工艺难点,如光丝对中性、粘丝、丝的球化、层间未熔合等问题,通过设备改进和工艺优化加以解决。研究了工艺参数对成形尺寸的影响规律,确立了送丝式的工艺窗口范围;从工艺控制、组织特征和性能评价三方面对送丝式立体成形特性进行了研究;从工艺窗口和内部缺陷、组织和性能、尺寸精度和表面精度、效率、经济性五方面比较了送粉式和送丝式激光增材制造的优缺点。


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