温度调控对钛合金激光沉积成形材料性能影响机制研究

发布时间：2018-01-18 11:37

本文关键词：温度调控对钛合金激光沉积成形材料性能影响机制研究　出处：《山东大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：激光沉积成形技术是一种新型的增材制造加工手段,使用高能激光束熔化金属粉末,通过逐层累积制造零件,该技术可以进行复杂几何形状金属零件的直接制造,在复杂结构难加工材料的制造中有很大的应用价值。钛合金具有优秀的机械性能和生物相容性,广泛应用于航空航天工业和生物植入体的制造中,但是钛合金属于典型的难加工材料,使用传统的锻造+机加工的制造方法加工钛合金,材料去除量大,周期长。使用激光沉积成形技术能够显著地缩短钛合金复杂零件的制造周期,降低制造成本,并且能够实现破损零件的修复。然而在激光沉积成形技术中,激光束的快速移动造成巨大的温度梯度,产生热应力,同时材料快速熔凝,造成组织材料分布不均匀,从而给成形零部件带来严重的变形和表面开裂的问题。本文针对钛合金激光沉积成形技术中材料力学性能一致性差,组织不均匀的问题,引入基体预热缓冷工艺,分析该工艺对Ti-6Al-4V激光沉积材料的影响机制。本文的主要研究内容如下:首先通过对不同的条件下组织凝固进行理论分析,激光沉积成形熔池的凝固过程属于亚快速非平衡凝固过程,伴随复杂的相变和热力学变化。基体预热同时改变熔池的温度梯度和凝固速率,不会显著改变固液界面稳定因子的大小,因此基体预热不会显著改变沉积层微观组织的类型,但是会增加晶粒尺寸。根据沉积层孔隙缺陷形成理论,基体预热能够降低熔池的凝固速率,减小沉积层孔隙缺陷形成的可能性。引用不同温度下Ti-6Al-4V材料的微观组织结构的变化趋势,对基体预热工艺条件下激光沉积钛合金微观组织的影响进行预测。此外本文对钛合金板材预热的温度变化特性进行了有限元分析,并且针对激光沉积成形板材预热进行工作台的开发。然后,本文进行Ti-6Al-4V钛合金单道激光沉积成形试验,分析了在不同基体预热温度下和不同的后续冷却速率的条件下沉积层的宏观形貌、微观组织以及显微硬度,发现预热温度对沉积层宏观形貌有显著的影响,沉积层熔深、熔宽、稀释率、热影响区深度随着预热温度的提高而升高,熔高随着预热温度的提高而降低。预热温度的提高能够减小沉积层出现气孔缺陷的可能性,在300℃以上的预热温度下,能够获得没有气孔缺陷的沉积层。在基体预热的条件下,沉积层组织的平均晶粒尺寸增大,并且出现贯穿结合面的柱状晶。沉积层主要由细长的片状α相及α+β相魏氏组织组成,随着预热温度的提高,魏氏体组织变得更加粗壮。沉积层的显微硬度显著大于基体的显微硬度。随着基体预热温度的提高,沉积层平均显微硬度逐渐降低。缓冷处理对沉积层的微观组织和显微硬度都有一定的影响,但是影响效果不如改变预热温度显著。最后,本文进行了不同预热温度下的多道激光沉积试验,并且对沉积层表面的残余应力进行测量,研究预热温度对沉积层残余应力的影响。另外,本文设计了正交试验,获得了包含预热工艺的激光沉积成形优选工艺参数,并且使用该参数进行了钛合金薄壁框形零件的激光沉积成形,对成形零件的基体变形和表面裂纹进行了观测和分析。本文发现基体预热能够降低钛合金激光沉积材料表层的残余应力并且对沉积层的残余应力起到均匀化的作用。激光沉积后的缓冷处理也能够降低沉积层表层的残余应力,但是效果不如提高预热温度明显。在基体预热条件下获得的钛合金薄壁框形零件裂纹明显减少,基体预热能够有效缓解沉积零件表面裂纹的产生,改善成形质量,对于薄壁框形零件的沉积成形能够起到有益的作用。
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【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG146.23;TG665

【参考文献】