V元素对激光增材制造Ti-Zr-V合金组织与性能影响

摘要

钛合金因其高的比强度、优异的耐腐蚀性和高温力学性能、良好的可焊性等诸多优点，而被广泛应用于航空航天、船舶、化工、医疗等领域。但由于钛合金高的比屈服应力和低的导热率，是典型的难加工合金体系之一。而激光增材制造技术，能实现高性能复杂零件的无模具、高密度，近净成形，并兼有柔性高、周期短、控形控性一体化等优点，是当前钛合金加工成型一个很好的选择。目前，国内外针对激光增材制造的研究主要集中在成形设备、相关软件、工艺参数的控制方面，而对材料方面的研究相对比较薄弱。因此，开发一种既适合激光增材制造工艺特点，又能具有优异性能的新型合金材料迫在眉睫。 本文在Ti-Zr二元合金的基础上，利用“团簇+连接原子”模型的设计思想，通过合金化的手段，向其中加入β-Ti的同晶元素V，设计出五组不同V含量的合金成分。利用XRD、SEM、EPMA等现代微观分析技术本系统分析了在激光增材制造非平衡凝固条件下Ti-Zr-V合金凝固组织特征及其随V含量演化规律。又在激光增材制造Ti-Zr-V合金微观组织分析的基础上，进一步探讨了合金的成形性、力学性能、耐蚀性与V含量之间的内在关系。 研究结果表明，激光增材制造的Ti-Zr-V合金的物相为β-Ti单相，其显微组织主要由表面不规则等轴晶和中下部的柱状晶组成。随着V含量的增加，柱状晶和不规则等轴晶的晶粒都得到了明显的细化，同时导致合金的晶内偏析程度也会增大。对其成形性的研究表明：随着V含量的增加，其流动性会变差，表面粗糙度也会变大，成形能力降低，并且在1.25at.%V时，其合金流动性和成形性最好。对其力学性能表明：随着V含量的增加，硬度逐渐增大，在6.25at.%V时，硬度最大(510HV左右)。在干摩擦磨损条件下，磨损机理主要是是磨粒磨损，随着V含量的增加，耐磨性逐渐增加，在6.25at.%V时，耐磨性最好。其压缩断裂机理为解理断裂，随着V含量的增加，其压缩强度和塑性均出现了先升高后略微降低的趋势，这是显微组织的细晶强化和晶内偏析共同影响的。在3.75at.%V时，其最大压缩强度可达1048.95MPa，其延伸率变化范围为9.12%~11.43%，这表明V元素对其塑性影响不大。其耐蚀性的研究表明：在1mol/LHCl溶液中，耐蚀性随V含量的增加而增大，在6.25at.%V时，合金的耐蚀性最好。

目录

声明

1 绪论

1.1 引言

1.2激光增材制造技术

1.2.1 激光增材制造技术的原理

1.2.2激光增材制造技术的分类

1.2.3激光增材制造技术的国外研究状况

1.2.4 激光增材制造技术的国内研究状况

1.3 钛合金的激光增材制造

1.3.1 钛及钛合金

1.3.2 钛合金的激光增材制造的研究与运用

1.4 钛合金设计方法

1.5本文研究背景和主要内容

1.5.1本文研究背景

1.5.2本文研究内容

2. 实验材料与方法

2.1 成分设计

2.2 实验材料

2.3 激光增材制造实验

2.4 显微组织分析

2.4.1 X射线衍射(XRD)

2.4.2 扫描电镜（SEM）

2.4.3 电子探针（EPMA）

2.5 成形性能

2.5.1 单道沉积层的宽度和高度

2.5.2 表面粗糙度

2.6 力学性能

2.6.1 硬度实验

2.6.2 压缩实验

2.6.3 摩擦磨损实验

2.7 电化学腐蚀测试

3．激光增材制造Ti-Zr-V合金的微观组织

3.1 激光增材制造Ti-Zr-V合金的物相分析

3.2 激光增材制造Ti-Zr-V合金的显微组织

3.3 激光增材制造Ti-Zr-V合金的EPMA分析

3.4 本章小结

4. 激光增材制造Ti-Zr-V合金的性能

4.1 激光增材制造Ti-Zr-V合金的宏观特征

4.2 Ti-Zr-V合金的显微硬度

4.3 Ti-Zr-V合金的压缩性能

4.4 Ti-Zr-V合金的摩擦磨损性能

4.5 Ti-Zr-V合金的耐蚀性

4.6 本章小结

结论

参考文献

致谢

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