激光增材制造Ti-22Al-25Nb合金基础问题研究

发布时间：2020-06-14 15:51

【摘要】：Ti2AlNb基合金作为一种新型轻质高温结构材料,具有比强度高、断裂韧性高、高温抗蠕变等多方面优异的综合性能,能在保证性能的前提下实现较大幅度的减重,在航空航天发动机高温结构件领域具有非常广阔的应用前景。然而利用传统的成形工艺制备该材料零部件面临着流程多、成本高、生产周期长等一系列问题,制约了该材料的发展。本研究提出采用激光增材制造技术对Ti2AlNb基合金零部件进行直接成形,充分利用增材制造流程少、生产周期短、成形柔性度高等技术特点和优势,但是目前激光增材制造Ti2AlNb基合金依然面临着晶粒尺寸粗大、相变规律复杂、沉积态零件性能差、成形过程中应力高等亟待解决的问题。本文中以激光增材制造Ti-22Al-25Nb合金薄壁试样为主要研究对象,从成形过程中的晶粒形貌和微观组织的演化、成形过程中应力场演变规律、成形后的热处理调控等几个方面对激光增材制造Ti-22Al-25Nb合金的基础问题进行了系统研究,为该类材料在激光增材制造技术中的工程应用奠定了基础。完成的工作及主要成果如下:激光增材制造Ti-22Al-25Nb合金薄壁试样呈等轴晶形貌,通过N层(N=1,2,3,4)的单道成形实验,并结合凝固理论,阐明了等轴晶晶粒的形成机理。进一步研究表明,薄壁试样沿沉积方向相组成发生由三相到单相的变化规律(B2+O+α2→B2),薄壁顶部为成形过程中快冷条件下保留的亚稳B2相,底部三相组织是成形过程中经历长时间较低温度自时效的结果。三相组织中晶界处为连续分布的α2相,晶内为板条状α2相和O相的混合组织。沉积态试样的晶粒组织粗大,塑性较低;试样底部由于有大量细小α2/O相析出,表现出很高的强度。利用有限元方法模拟分析了多层薄壁成形过程中的温度场,不同部位的沉积材料均经历了不同温度范围的连续热循环,解释了沉积态薄壁试样底部材料发生固态相变的原因。分别对沉积高度方向、薄壁厚度方向、扫描水平方向温度场的变化规律进行分析,对应研究了薄壁试样在三个方向的组织变化规律。结果表明,沉积态薄壁试样几乎只在沉积高度方向出现组织差异,其他方向没有明显的组织变化。详细分析了激光增材制造Ti-22Al-25Nb合金组织,在不同相区内热处理时的相变规律。三相组织在α2+B2相区热处理时,O相完全溶解,α2相随着热处理温度降低逐渐增多,晶界两侧存在宽约3 μm的无析出相区;在α2+B2+0相区热处理时,晶界两侧O相保留,α2GB相比沉积态略微粗化;在B2+0相区热处理后,晶界和晶内α2相保持稳定,α2相几乎保留沉积态形貌,晶内O相长大明显。B2单相组织在α2+B2相区热处理时,只有α2相析出,晶界两侧存在无析出相区;在α2+B2+0相区热处理时,α2相和O相同时析出,α2GB相连续分布,晶界两侧开始有O相析出;在B2+0相区热处理时,只生成与B2相具有一定取向关系的板条状O相,热处理温度越高,O相体积分数越小,O相尺寸越大。在充分掌握相变规律的前提下,设计了预处理+固溶时效和直接固溶时效两种热处理思路,对比分析了不同热处理制度对组织和性能的影响规律,薄壁试样经920℃/2 h/AC+800℃/24 h/AC热处理后,性能提升明显,水平方向底部和顶部室温抗拉强度分别达到了 999 MPa、953 MPa,断后伸长率分别为6.0%、5.3%,相对于沉积态试样在保证足够强度的同时,塑性得到大幅度提升。薄壁试样力学性能在不同方向没有明显的差异。研究表明,针对大晶粒尺寸的激光增材制造Ti-22Al-25Nb合金,沉积态组织中晶界连续α2相不是影响塑性的关键因素,塑性的提升应该主要针对晶内O相进行调控,保留α2相反而对强度的提升有益。当晶内析出相尺寸较为均匀时,综合力学性能最好。采用间接耦合法,对激光增材制造成形和冷却过程中的应力场进行模拟分析。研究发现等效应力较大的区域与温度梯度较高的区域有较好的对应关系,出现在熔池附近。文中提出两种应力控制方案,即基板预热和减缓散热,分析结果表明基板预热只对靠近基板的初始沉积过程有明显的应力释放作用,而减缓散热对成形和冷却过程中的应力控制均能起到明显的效果。在薄壁试样的研究基础上,对激光增材制造Ti-22Al-25Nb合金块状试样的组织和性能进行了分析。块状试样晶粒尺寸更粗大,呈现长轴沿沉积高度方向的近等轴晶组织,热处理后的性能表现出明显的各向异性,沿沉积高度方向强度低、塑性极高,沿扫描水平方向强度高,塑性略低。
【学位授予单位】：北京有色金属研究总院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V261.8
【图文】：

相的新型高比强度高铌含量钛铝金属间化合物材料［３】，0相化学成分基于Ｔｉ２ＡｌＮｂ。逡逑由于长程有序的超点阵结构减弱了位错运动和高温扩散，该类合金无论是物理性能逡逑还是力学性能均具有独特的优势。图１．１给出了成分为Ｔｉ－２２Ａｌ－２５Ｎｂ邋（原子分数，下逡逑同）的Ｔｉ２ＡｌＮｂ基合金与近ａ钛合金、ｙ－ＴｉＡＩ合金、Ｔｉ３Ａｌ合金及ＩＮ７１８镍基高温合金逡逑的物理、力学性能对比［４】。从图中可以看出，Ｔｉ２ＡｌＮｂ基合金具有较低的弹性模量和逡逑１逡逑

能更加优异，因此目前各国的研宄重点均集中在第二代Ｏ相合金。逡逑１．２．３逦ＴｈＡｌＮｂ基合金相组成逡逑图１．２为ＴｈＡｌＮｂ基合金中Ｂ２、（Ｘ２、０相晶体结构立体图［４］。表１．１给出了逡逑ＴｈＡｌＮｂ基合金中各组成相的晶体学参数（Ｏｌ为完全无序０相，０２为完全有序０逡逑相）［１９］。逡逑３逡逑

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1 武卫莉;陈U

本文编号：2713009