激光选区熔化成形Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V微观组织与力学性能研究

发布时间：2020-06-06 22:59

【摘要】：随着我国航空航天技术的飞速发展,关键结构件服役环境也越来越苛刻,因而对其几何形状和力学性能同时提出了更高的要求。激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)技术基于计算机辅助设计,通过逐层堆积的原理可实现复杂结构零件的整体成形,且成形零件力学性能优于铸件标准,该技术有望在航空航天领域得到广泛应用。Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V(TA15)合金作为一种近α型钛合金,兼具了α型钛合金的热强性和可焊性与α+β型钛合金的工艺塑性,具备在高温下使用的能力,可在500℃高温下长时间工作,并广泛应用于航空航天工业。基于此,本文主要开展了SLM成形TA15合金的工艺优化,探索了工艺参数对微观组织、力学性能的影响,通过热处理方式来调控微观组织、力学性能并对比分析了不同粉末成形技术对微观组织、力学性能的影响。主要研究工作和成果如下:探索了SLM成形TA15合金的工艺参数,研究了不同激光功率对成形件微观组织、力学性能的影响。结果表明微观组织均由针状α'马氏体组成,随着激光功率的增大会出现少量孔隙,力学性能呈现逐渐降低的趋势。优化后的工艺参数为:激光功率230 W、扫描速度675 mm/s、铺粉层厚0.03 mm。该工艺条件下成形的TA15制件室温拉伸抗拉强度高达1422.07 MPa、延伸率9.5%,500℃高温拉伸抗拉强度可达990.2 MPa、延伸率15.6%。研究了不同的热处理温度对SLM成形TA15合金的相组成、微观组织和力学性能的影响。经过650℃、750℃、850℃、950℃、1000℃和1100℃的热处理之后,SLM试样中的针状α'马氏体逐渐消失,转化为板条状α相和β相,且晶粒逐渐增大。随着热处理温度的升高,室温和500℃高温抗拉强度均逐渐降低。室温拉伸的延伸率先升高后降低,在750℃的热处理下表现出最高的延伸率;500℃高温拉伸的延伸率表现出逐渐升高的趋势,当温度达到1100℃时延伸率有略微下降。结合室温和500℃高温拉伸性能的结果,得到最优的热处理工艺为:750℃保温两小时随炉冷却,该工艺条件下试样的室温拉伸和500℃高温拉伸的延伸率分别比未热处理试样的延伸率提高了55%和13.6%。研究了SLM、放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering,SPS)、热等静压(Hot Isostatic Pressing,HIP)和铸造(Casting)四种技术对成形TA15合金的相成分、微观组织和力学性能的影响。结果表明,SLM成形TA15试样由针状α'马氏体组成,而SPS、HIP和Casting技术成形的TA15试样主要由粗大的板条状α相和β相组成,且SPS、HIP和Casting技术成形试样的晶粒大小均是SLM成形试样的十余倍。SLM试样的室温抗拉强度分别比SPS、HIP和Casting试样提升了48.2%、67.9%和53.6%,同时具有相对良好的延伸率;在其使用温度(500℃)附近也具有优异的强度和延展性组合,其抗拉强度分别比SPS、HIP和Casting试样高出75.3%、84.4%和51.8%。
【图文】：

示意图,成形原理,技术,示意图

图 1-1 SLM 技术成形原理示意图Fig.1-1 Schematic diagram of SLM technology，减少了模具设计和其加工工艺的开发，工艺流程简单，大大[6,12]。利用率高造金属零件是采用去除材料的加工思路，要达到所需零件的要造成了原材料的严重浪费，所以材料利用率较低。而 SLM 技术在制造零件过程中选择性地熔化金属粉末，未被使用的粉末可现所用原材料和所需零件的等体积制造，有效地避免了原材料料的利用率。件综合力学性能优良件的宏观力学性能主要由金属内部的相组成、晶粒大小、取向l-Petch 公式可知，，晶粒越细小，制件的综合力学性能越好[13]。

复杂结构件,喷嘴,航空发动机,薄壁

华中科技大学硕士学位论文所成形的构件尺寸精度高，表面粗糙度较好，一般经抛光或简单的表面处理可使用，甚至有的零件可直接使用。因其特殊的加工工艺，不受限于成形零件结构复杂度，且成形零件精度高，所以在航空航天轻量化复杂结构零件、复杂模具的制造以及个性化的生物医疗器械等方面有广泛的应用前景。图 1-2 为部分采用 SLM 技术制造的复杂结构件。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V214;V414

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