TC4钛合金电子束熔丝沉积组织及其性能的影响因素研究

发布时间：2020-08-05 11:39

【摘要】：电子束熔丝沉积技术(Electron Beam Wire Deposition,EBWD)是一种以电子束为热源,通过将外加丝材熔化而层层堆积,最终形成所需零件的近净成形增材制造技术,该技术能够实现复杂钛合金结构件的无模具、高效率、低浪费加工。但EBWD钛合金的宏观组织普遍为粗大柱状晶,柱状晶内组织不均匀,这会对沉积层力学性能产生不利影响,使其存在明显各向异性。如何改善沉积层内柱状晶粒,均匀晶内组织,减小其各向异性是EBWD钛合金急需解决的问题。为此,本文以TC4钛合金为研究对象,针对EBWD沉积钛合金的宏微观组织演化规律,组织均匀性调控方法及力学性能各向异性展开研究。主要研究内容和结果如下:EBWD的主要影响因素有热输入量和送丝速度,其中热输入量主要由电子束流和焊接速度决定。为探究各因素对EBWD宏微观的影响,在合适的热输入量参数范围内采用单一变量法分别沉积,发现增加电子束流后沉积层高度降低宽度增加,同时产生明显飞溅;增加焊接速度后沉积层高度无明显变化但宽度减小;增加送丝速度后沉积层高度增加而宽度无明显变化。采用小热输入量快送丝速度进行EBWD能够获得成形良好的沉积层。减小热输入量能够使柱状晶在沉积高度方向上产生偏移,增大送丝速度能够使柱状晶产生向等轴晶转变的趋势;当采用小热输入量快送丝速度参数进行间隔沉积TC4钛合金时,沉积层内粗大的外延生长柱状晶得到了改善,但组织沿沉积高度方向存在明显差异。沉积层在Z方向的抗拉强度与中下部X方向的抗拉强度相当,但均小于上部X方向的抗拉强度。针对沉积层在高度方向的组织差异,采用后期热处理的方式均匀晶内组织。发现固溶温度,固溶时间,冷却速度,时效温度和时效时间均对EBWD试样沉积层的组织均匀性有直接影响。在一定范围内提高固溶时效的温度和时间均能改善组织均匀性,但温度过高或时间过长会使组织粗化,从而降低沉积层的组织均匀性和力学性能;960℃固溶2h后空冷至室温,再进行550℃时效4h后空冷的热处理工艺能够使EBWD试样组织均匀化。EBWD试样经固溶时效热处理后沿沉积高度方向的不均匀组织得到了改善,在沉积层内获得均匀α相组织,沉积层的力学性能得到优化,满足AMS 4999A标准要求,同时进一步减小了沉积层的各向异性。
【学位授予单位】：南昌航空大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG146.23;TG661
【图文】：

强度、热强性及耐腐蚀性而被广泛应用[2-4]。其密度仅为钢的 57%；熔点为 1678℃，可在最高温度 600℃下正常使用并保持良好的力学性能；钛表面会生成一层钝化膜，能够有效隔绝空气或腐蚀性物质对钛的氧化腐蚀。但钛的化学性质活泼，极易与其他元素发生化学反应，造成元素烧损，而其表面氧化膜易在高温条件下发生脱落开裂而失去保护效果[5]。（2）TC4 钛合金TC4 钛合金是典型的双相钛合金，α相和β相是其最基本相。当温度在 882℃以下时形成具有密排六方结构固溶体的α相，在 882℃以上时形成具有体心立方结构固溶体的β相。在钛合金的相变过程中，当合金元素成分和外界条件发生改变时，可能形成β→α转变未完成的亚稳定相产物，或者形成形状尺寸各异的相，使得 TC4钛合金的相组成复杂多样。通过对其加工过程的控制，通常能够得到魏氏组织、双态组织、网篮组织和等轴组织这四种典型的两相钛合金组织，如图 1-1 所示。将钛合金加热至β转变温度以上并缓慢冷却或者加热与变形都处于β相区时，可得到图 1-1(a)中魏氏组织，其特点为原始β晶粒的晶界清晰完整，同时在晶界处分布着明显的连续晶界α相，在原始β晶粒内部大量分布着平行排列且长宽比近乎一致的

图 1-3 兰利研究中心研制的设备及成形零件[31](a)EBWD 设备；(b)快速成形钛合金零件04 年，美国 Sciaky 公司[32]在兰利研究中心的设备上进一步改造，BWD 快速成形设备，该设备以 18kg/h 的沉积速度用于大型构件的所示。在 2013 年，该公司制造的零件被 F-35 战斗机搭载并成功进图 1-4 美国 Sciaky 公司研制的设备及成形零件[32](a)商用 EBWD 设备；(b)快速成形零件06 年，中航 625 所[33]研制出国内首台 EBWD 设备，并成功研制出，如图 1-5 所示。在 2012 年时该所制备的零件在飞机上成功搭载。

南昌航空大学硕士学位论文 第 1 章 绪图 1-3 兰利研究中心研制的设备及成形零件[31](a)EBWD 设备；(b)快速成形钛合金零件2004 年，美国 Sciaky 公司[32]在兰利研究中心的设备上进一步改造，成功研商用 EBWD 快速成形设备，该设备以 18kg/h 的沉积速度用于大型构件的制造，图 1-4 所示。在 2013 年，该公司制造的零件被 F-35 战斗机搭载并成功进行试飞

【参考文献】

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本文编号：2781498