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超声微锻造辅助增材TC4钛合金的组织演变与工艺优化

郭步高  
【摘要】:钛合金凭借其密度低、比强度高等优点被广泛应用于航空航天等领域,而其传统制造技术存在加工效率低、成本高等问题。金属增材制造(AM)技术通过材料逐渐累加的方法可快速、精确地制造出高性能零件,特别适合制造航空航天所需难加工的复杂零部件,在缩短制造周期等方面具有巨大优势。然而增材件存在组织不均匀与综合力学性能不足是等难题,严重限制了金属增材件的广泛应用。本文采用超声微锻工艺辅助激光增材制造TC4钛合金,在增材制造过程中对增材件表面进行高频锻造并滚压,以达到细化晶粒,减少缺陷,降低残余应力和改善性能的目的。通过OM,SEM,TEM等材料学分析方法研究了不同工艺参数对TC4合金宏观成形质量、微观组织和硬度的影响,建立了工艺参数-宏观形貌-显微组织-硬度关系。重点研究了超声微锻造耦合作用下沉积层组织演变规律及界面调控机理,揭示了多物理场耦合作用下缺陷愈合机理及等轴晶调控机制。研究成果对生产高性能TC4合金增材制造零不见具有积极地指导意义。主要研究结果如下:(1)通过激光工艺参数与宏观成型质量之间的关系,建立了组合工艺参数与宏观形貌儿何参数的数学模型y=a*PαVβFγ+b。根据接触角θ和稀释率η作为沉积层与基体冶金结合良好的指标,我们得到了较优的参数区间,结合横、纵搭接率模型及截面形貌,确定了横向搭接率(30%~40%)和纵向搭接率(10%~30%)的选取范围。(2)超声微锻造辅助激光熔丝增材制造单层TC4沉积层研究表明,超声微锻造在沉积层表面造成塑性变形(塑性变形量最大为151 μm)的同时能有效的减小表面粗糙度,锻碎表层晶粒,提高硬度。随着超声振幅增大,粗糙度和宏观尺寸影响不大,但沉积层内等轴晶的比例及平均晶粒尺寸皆有改善,硬度略有提升;随着压力增大,微锻造的深度增加,晶粒等轴化趋势增强,表面硬度平均提升10%以上。(3)超声微锻造辅助激光熔丝增材制造多层TC4沉积层研究表明,超声微锻造处理使多层TC4内部粗大的柱状晶转变为大量的胞状晶,α'平均晶粒长度由22.5 μm减小到9.4 μm,晶粒取向趋于各向同性,晶内出现一定量的位错,显微硬度平均提高20%,尤其是沉积层顶部,硬度值最大达到了 440 HV以上。(4)结合金属凝固理论和超声微锻造效果,建立了工艺参数与组织生长模型,获得了等轴晶形成的关键参数范围。通过优化工艺参数促进柱状晶向等轴晶转变以获得优异的力学性能。沉积层的界面主要是由集束状的α相组成,宽度约100~300 μm,而超声微锻造会使得界面层发生波动。此外,超声微锻造会大幅度减少内部缺陷,细化孔洞,我们对其影响机理也进行了深入研究。


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