激光选区熔化成形TA15钛合金工艺、组织演变与力学性能研究

摘要

钛合金凭借其超高的比强度和优异的耐腐蚀性能被广泛应用于航空航天领域，然而活性高、热导率低以及变形抗力大等特点使其采用传统制造方法加工非常困难。此外，航空航天零件趋于功能化、轻量化和结构一体化设计，传统制造技术愈发难以满足航空航天复杂结构钛合金零件的制造需求。激光选区熔化(Selective Laser Melting，SLM)成形技术基于“离散-堆积”增材制造理念，可直接成形出点阵夹芯、异形曲面、内腔流道等复杂结构零件，为航空航天复杂结构钛合金零件的制造提供了良好的解决方案。目前针对SLM成形钛合金的研究集中于Ti6Al4V钛合金。与Ti6Al4V相比，近α型钛合金TA15(Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V)拥有更高的室温及高温强度、断裂韧性、疲劳极限、耐腐蚀性能和焊接性能，被广泛用于制造航空航天领域的各种承力结构件及焊接结构件。然而尚缺乏关于SLM成形TA15合金的研究，导致TA15的发展应用相对滞后。研究开发TA15合金的SLM制备工艺有利于拓宽其在航空航天领域复杂结构零件上的应用。因此，本文针对SLM成形TA15的致密化机理、组织与力学性能、热处理调控方法以及表面质量优化进行了系统研究，主要研究内容和成果如下：　　(1)SLM成形TA15合金致密化机理研究。分析了SLM成形工艺参数对TA15合金单道特征以及致密度的影响，揭示了单道成形及致密化机理，结合响应曲面法获得了高致密度TA15合金的SLM成形工艺区间。结果表明：SLM成形TA15单道宽度W与激光线能量密度EL的规律关系为0.6311406.85LWE=?。单道熔池深度随着激光线能量密度的升高急剧加深并转变为“匙孔模式”。在“传导模式”下，扫描间距过小会在试样边缘区域产生近圆形孔隙。在线能量密度为0.165-0.195J/mm，搭接率为15-40%的工艺区间内均可以成形出高致密度的TA15合金试样。综合成形效率以及成形样件致密度，确定最优成形工艺参数为：激光功率190W，扫描速度1050mm/s，扫描间距100μm，在此工艺参数下成形样件致密度为99.98%。　　(2)SLM成形TA15合金组织与力学性能研究。在最优的成形工艺下，针对SLM成形TA15合金微观组织的物相分布、形貌、尺寸分布、晶粒取向和亚结构等进行了系统研究，测试了不同成形方向TA15样件的力学性能，探索了组织演变规律、强化机理以及各向异性。另外在高致密度成形工艺区间范围内，研究了SLM成形工艺参数对TA15合金的组织与力学性能的影响。结果表明：SLM成形TA15合金组织由尺寸分级的α?马氏体和极少量的β相组成。马氏体内部包含了大量亚微米尺寸{1011}型孪晶以及超高密度的位错。马氏体组织具有多种取向，呈现弱织构特征。试样拥有较高的强度(1289-1296 MPa)、硬度(HV 395-398)以及较低的塑性(6.8-7.6%)，没有显示出明显的力学各向异性。在相似线能量密度下，扫描速度的降低会引起TA15合金中α?马氏体的原位分解，从而导致合金塑性提升但强度和硬度有所下降。　　(3)SLM成形TA15合金热处理工艺研究。研究了不同热处理工艺下SLM成形TA15合金的微观组织及力学性能，分析热处理过程TA15合金的组织演变规律，获得了优化的热处理工艺。结果表明：退火过程中，SLM成形态TA15合金细针状α?马氏体逐渐分解为α+β相，α相呈层片状并在退火温度较高时转变为等轴α晶粒，β相主要在α?马氏体晶间以及内部晶格缺陷富集处析出。退火后试样组织呈现与SLM成形态试样类似的分级结构和晶粒取向差分布，具有强烈的组织遗传性。随着退火温度升高，试样的强度、硬度下降，延伸率得以提高。由于β相弥散强化作用，900℃退火试样抗拉强度和延伸率分别达到1117MPa和11.2%，展现出了最优异的综合力学性能。双重退火不会明显改变退火试样的组织特征及晶粒尺寸，但会析出更多的β相，表现出更好的塑性。在β相变温度以上热处理会导致SLM成形试样中柱状初生β晶粒转变为具有粗大等轴β晶粒的魏氏组织，从而导致试样展现出较低的塑性。　　(4)SLM成形TA15合金表面质量优化。根据SLM工艺特性，对成形零件表面进行了分类。全面研究了工艺参数及扫描策略对SLM成形TA15不同类型表面成形质量的影响，探明了表面成形机理。结果表明：重熔策略可有效改善SLM成形上顶面的表面质量。扫描速度和扫描间距对上顶面成形质量的影响表现为高度显著。通过降低轮廓的扫描速度可以有效减轻SLM成形侧表面的粘粉现象，改善样件侧表面成形质量。下底面成形质量随着下底面激光面能量密度EF的减小呈现先改善后恶化的趋势。激光在粉末床上加热形成的热累积是下底面成形质量较差的最主要原因。下底面成形质量可以通过记录熔池的冷却时间来有效判断。十字交叉重熔策略与不重熔策略分别在激光能量密度较低和较高的情况下获得相对较好的下底面成形质量。

目录

1绪 论

1.1前言

1.2激光选区熔化（SLM）成形技术概述

1.3钛合金概述

1.4 SLM成形钛合金的研究现状

1.5课题概述

2实验材料、设备及分析测试方法

2.1实验材料

2.2 SLM实验平台

2.3实验表征方法

3 SLM成形TA15合金致密化机理研究

3.1前言

3.2 SLM成形TA15单道实验

3.3 SLM成形TA15块体成形性研究

3.4密度优化

3.5本章小结

4 SLM成形TA15合金组织与力学性能研究

4.1前言

4.2 SLM成形TA15合金微观组织

4.3 SLM成形TA15力学性能及各向异性研究

4.4工艺参数对SLM成形TA15力学性能与组织的影响

4.5本章小结

5 SLM成形TA15合金热处理工艺研究

5.1前言

5.2实验过程

5.3不同热处理工艺微观组织

5.4退火过程组织演化机理

5.5热处理对力学性能影响

5.6本章小结

6 SLM成形TA15合金表面质量优化

6.1前言

6.2 SLM成形零件表面类型

6.3上顶面质量优化

6.4下底面质量优化

6.5侧表面质量优化

6.6本章小结

7总结

7.1主要结论

7.2主要创新点

7.3研究展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录

B. 学位论文数据集

致谢