选择性激光熔化成形Ti-6Al-4V的滚动接触疲劳性能研究

摘要

选择性激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）技术是在增材制造（3D打印）领域最具有发展前景的技术，SLM成形件可不经过处理或简单处理实现工业应用，比如航空航天中的复杂薄壁件和轻量化的多孔件，医疗个性化的植入体等。随着该技术的迅猛发展，SLM必将应用于制造业的各领域。钛合金是航空航天、医疗中使用最多的材料，对SLM钛合金件的机械性能研究有很多，但大部分都是关于静态性能的，对其动态性能的研究很少。零件的动态性能数据缺少，是限制其应用的主要原因。疲劳特性研究是动态性能研究的基础。滚动接触疲劳是疲劳中常见一种形式，零件的滚动接触疲劳性能与自身的材料、制造缺陷、硬度、表面粗糙度等有关。本文对SLM成形Ti-6Al-4V样件的滚动接触疲劳性能进行了研究，包括影响因素，疲劳寿命，失效形式和失效机理，主要研究内容和结论如下：
　　①研究了 SLM成形 Ti-6Al-4V样件的致密度特性，致密度达到理论密度的99.5%，接近实体密度，致密度是评价SLM件成形性能的最基本标准，对SLM成形件的机械性能影响最大，致密度越高机械性能越好。考虑到表面质量对滚动接触疲劳性能的影响，本文同时研究了SLM成形工艺对Ti-6Al-4V件表面粗糙度的影响，结果表明能量密度是表面粗糙度的主要影响因素，提出了Ti-6Al-4V件的表面粗糙度后处理改进措施，结果表明抛光处理显著提高了SLM件的表面质量。
　　②考虑硬度对滚动接触疲劳性能的影响，研究了SLM成形Ti-6Al-4V样件热处理前后的显微硬度。对SLM成形Ti-6Al-4V样件热处理前后的显微硬度进行测试，并和相应同牌号锻件的硬度进行了比较：SLM件的显微硬度373HV，热处理后提高至403.3HV，高于锻件硬度值（ASTM B381-2010，340~395HV）。研究了SLM成形Ti-6Al-4V件机械性能，对SLM成形Ti-6Al-4V件进行常温拉伸试验，得到拉伸强度1286 MPa和延伸率8.3%；拉伸强度高于传统铸锻件，延伸率低于传统铸锻件；SLM成形Ti-6Al-4V件的断口形貌分析表明断裂类型为是韧性断裂，断裂的主要原因是样件内部存在未熔粉、孔洞等工艺缺陷。
　　③研究了 SLM成形 Ti-6Al-4V件不同后处理形式的滚动接触疲劳性能。对SLM成形 Ti-6Al-4V件滚动疲劳测试件进行后处理，将测试样件分为不处理组、抛光组、热处理组和热处理+抛光组，分别测试四组件的滚动疲劳寿命发现：不处理的 SLM件寿命最低，热处理件、抛光件的疲劳寿命显著提高，热处理+抛光件的滚动接触疲劳寿命最高。
　　④将SLM件和锻件的滚动接触疲劳性能测试进行了对比，结果表明，SLM工艺性能优于锻造工艺，改善了钛合金的抗磨损和微动疲劳性能，提高了钛合金的滚动接触疲劳寿命；研究后处理对SLM件的滚动接触疲劳寿命影响发现，致密度、显微硬度、表面粗糙度是影响SLM件滚动接触疲劳寿命的主要因素。
　　⑤对SLM成形Ti-6Al-4V滚动疲劳测试的失效表面进行分析，结果表明：不处理的SLM件失效形式主要是表面缺陷和残余应力引起的裂纹；热处理件的失效形式是粗糙度和硬度引起的犁沟；抛光件和热处理+抛光件的失效形式类似，分别是剥落和点蚀，失效原因是内部工艺缺陷如孔洞等，这两组的失效形式和机理与传统件的最相近。

目录

1 绪 论

1.1 课题来源及背景

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究内容

1.4 研究目的和意义

1.5 本章小结

2 实验方法

2.1 引言

2.2 SLM成形设备

2.3 SLM成形材料

2.4 实验方案

2.5 后处理

2.6 本章小结

3 SLM成形件致密度、表面粗糙度和力学性能分析

3.1 引言

3.2 致密度

3.3 表面粗糙度

3.4 显微硬度

3.5 拉伸试验

3.6 本章小结

4 SLM成形件滚动接触疲劳寿命分析

4.1 引言

4.2 SLM件滚动接触疲劳寿命测试

4.3 滚动接触疲劳寿命测试结果分析

4.4 本章小结

5 SLM成形件滚动接触疲劳失效形式研究

5.1 引言

5.2 SLM件滚动接触疲劳失效形式

5.3 SLM件滚动接触疲劳失效机理

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1研究成果总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

附录

A．作者在攻读学位期间取得的科研成果目录

B．作者在攻读学位期间参加的科研项目