钛/钢连接梯度接头的电子束粉末增材制造工艺研究

摘要

由于钛合金与不锈钢的物理性质和化学性质之间的差异，其焊接一直是一个难以解决的问题。本文基于电子束粉末增材制造工艺进行了钛合金/不锈钢的梯度过渡接头的研制。 研制了电子束粉末增材高精度铺粉装置，供粉缸和成型缸通过伺服电机驱动，升降定位精度达到0.01mm，速度为1mm/s;刮粉器采用步进电机驱动，实现稳定铺粉，速度为10mm/s，铺粉装置的有效工作空间为50mm，满足梯度接头的电子束粉末增材工艺的要求。 对钛/钢连接梯度接头的结构进行了设计，确定TC4-V-316L的过渡结构即通过V增材层对Ti元素的稀释来实现Ti与Fe的过渡。对基于TC4基板的V粉末的增材工艺进行研究并最终优化工艺参数为:粉末层厚度1.5mm，加速电压60kV，电子束电流3mA，聚焦电流735mA，扫描速度1.5mm/s，其中随着增材层数增加电子束电流相应增加;对基于V增材层的316L不锈钢的增材工艺进行研究及参数优化，具体参数为:粉末层厚度1.5mm，加速电压60kV，电子束电流3mA，聚焦电流735mA，扫描速度1mm/s。 通过对梯度接头的316L不锈钢的单道增材式样和多道增材式样进行显微组织的分析，发现两者的TC4与V增材层熔合良好，且前者V层与316L不锈钢层的连接良好，而后者的V-316L过渡层以及不锈钢增材层的边缘椭圆形的区域出现了脆化的裂纹现象。通过对单道显微硬度测试发现V增材层与不锈钢增材层的熔合区的硬度很高，最高值约为805.3HV。通过对接头的EDS线扫描发现，Ti与Fe在过渡区内有一定的接触，采用XRD物相分析方法对接头进行了检测，发现使得接头产生裂纹的相为TiFe2相、Ni2V3以及Fe与V形成的σ相。而产生脆性开裂的原因为连续增材过程中的热循环作用。 采用电子束粉末增材的工艺以及TC4-V-316L过渡结构解决了钛和钢的梯度过渡问题，并在快冷的条件下实现了钛合金与不锈钢的连接。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1课题研究的意义和目的

1．2钛／钢的焊接性及难点

1．2．1物理性质对焊接性的影响

1．2．2化学性质对焊接性的影响

1．2．3钛／钢焊接的难点

1．3钛／钢过渡连接的研究现状

1．3．1熔化焊

1．3．2压焊

1．3．3钎焊

1．4电子束粉末增材工艺的研究现状

1．4．1电子束粉末增材原理

1．4．2电子束粉末增材工艺的研究现状

1．5课题的研究内容

1．5．1课题研究路线

1．5．2课题研究的主要内容

2实验材料、设备、方法及梯度接头设计

2．1试验材料

2．2实验设备

2．2．1电子束焊机

2．2．2电子束扫描控制系统

2．3电子束粉末增材制造系统搭建

2．3．1研制电子束粉末增材铺粉设备设计思路

2．3．2研制电子束粉末增材铺粉设备机械结构设计

2．3．3研制电子束粉末增材铺粉设备电气控制系统

2．4检测设备与试验方法

2．4．1金相分析试验

2．4．2扫描电镜及EDS分析试验

2．4．3显微硬度试验

2．4．4物相分析试验

2．5钛／钢连接梯度接头的设计

2．5．1钛／钢连接梯度接头的设计原理

2．5．2钛／钢连接梯度接头的结构设计及其表征方法

2．5．3钛／钢连接梯度接头的成分梯度实现的方案拟定

2．5．4钛／钢连接梯度接头的理想元素变化情况

3 TC4-V成分过渡增材工艺研究

3．2．1电子束电流对V粉增材的影响

3．2．2扫描速度对V粉增材的影响

3．2．3聚焦电流对V粉增材的影响

3．2．4粉末厚度对V粉增材的影响

3．3 V粉的电子束增材工艺研究与参数优化

3．3．1正交试验方案确定

3．3．2正交试验结果

3．3．3搭接率试验

3．3．4增材层数对工艺参数的影响

3．4 V粉粉末增材的实验结果

3．4．1 V粉增材的第一层结果

3．4．2 V粉增材的第二层结果

3．5本章小结

4基于V增材层的316L不锈钢的增材工艺研究

4．1 316L不锈钢粉末的增材工艺研究与参数优化

4．1．1电子束电流对316L不锈钢成型的影响

4．1．2电子束扫描速度对316L不锈钢成型的影响

4．1．3电子束聚焦电流对316L不锈钢成型的影响

4．2基于V粉末和316L不锈钢粉末增材成型的对比分析

4．3基于V增材层的316L不锈钢粉末的增材结果

4．4本章小结

5钛／钢连接梯度接头的组织分析与力学性能研究

5．1钛／钢连接梯度接头的宏观结构特征

5．2钛／钢连接梯度接头的组织分析

5．2．1 TC4基板的组织分析

5．2．2 TC4-V熔合区的组织分析

5．2．3 V增材区的组织分析

5．2．4 V-316L不锈钢熔合区的组织分析

5．2．5 316L不锈钢增材区的组织分析

5．3钛／钢连接梯度接头的成分分析

5．3．1钛／钢连接梯度接头的整体成分分析

5．3．2 Ti-V区的成分分析

5．3．3 V增材区的成分分析

5．3．4 V-316L不锈钢区的成分分析

5．3．5 316L不锈钢区的成分分析

5．4钛／钢连接梯度接头的力学性能分析

5．4．1钛／钢连接梯度接头的显微硬度分析

5．4．2钛／钢连接梯度接头的断裂面分析

5．5钛／钢连接梯度接头的XRD物相分析

5．6 V／钢过渡层脆化断裂的原理分析

5．7本章小结

6课题结论与展望

6．1课题结论

6．2课题展望

致谢

参考文献

附录