激光选区熔化近α钛合金工艺基础探究

发布时间：2017-12-09 08:14

  本文关键词：激光选区熔化近α钛合金工艺基础探究

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【摘要】：激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)是增材制造(3D打印)重要工艺方法之一。SLM利用高能激光束熔化金属粉末,逐层堆积出致密、组织细小、成分均匀、性能优异的近终形零件,特别适用于航空航天领域中钛合金、镍基高温合金等具有复杂内腔结构难加工零部件的成形。钛及钛合金因具有高比强度、良好的断裂韧性、抗蠕变性及优异的耐腐蚀性能而被广泛地用作于航天航空关键零部件。随着我国航空航天技术的快速发展,对材料性能提出了更高的要求,尤其是材料的高温性能。目前国内外学者不断研究和开发不同成分组成及微观结构的钛合金以便满足不同工况下的使用要求,而近α钛合金作为一种先进的发动机材料已具备在高温下使用的能力。Ti-Al-Sn-Zr-Mo(Nb)-Si系近α高温钛合金近年来发展较为突出,已在航空发动机压气机盘、叶片和机匣等关键部件中得到应用,而Ti-5.5Al-3.4Sn-2.9Zr-0.7Mo-0.4Nb-0.35Ta-0.3Si是Ti-Al-Sn-Zr-Mo(Nb)-Si系的一种新型近α钛合金。本文以近α钛合金粉末为成形材料,通过研究SLM不同工艺参数对成形件的形貌、致密度等的影响规律,得到了较优的成形工艺参数。针对近α钛合金在SLM成形过程中易开裂现象,研究了裂纹的产生机理及抑制方法,并通过实验予以验证。主要做了以下工作:(1)优化了近α钛合金SLM成形工艺,研究结果表明,当线能量密度区间为0.28—0.9J/mm时工艺参数对成形效果的影响不尽相同,线能量密度区间为0.36—0.7J/mm时可成形出形貌平整、熔宽较宽的单道熔池,线能量密度低于0.36J/mm时,相对致密度随着线能量密度的增加逐渐增大,且在0.36J/mm时达到最大值99.34%,线能量密度区间为0.36—0.55J/mm时试样产生数微米的小孔,相对致密度稳定在98%以上,当线能量密度超过0.55J/mm时,试样产生孔径约50μm的孔隙及数微米的小孔和裂纹,相对致密度下降,最低为95.44%。(2)研究了SLM成形近α钛合金裂纹开裂机理及抑制方法,结果表明,成形过程中侧壁产生凹凸不平的缺口,同时生成少量的Ti3O、TiO、TiC等硬脆化合物及飞溅小球。受残余应力影响,裂纹起源于侧壁缺口及小球处,沿硬脆化合物扩展。实验证明,基底预热可有效减小残余应力,进而抑制裂纹。当工艺参数为激光功率140W、扫描速度400mm/s、铺粉层厚0.03mm、扫描间距0.07mm、基底预热350℃、保温1h缓冷至室温时可消除裂纹。综上所述,研究获得了SLM成形近α钛合金的优化工艺参数,阐述了SLM成形钛合金开裂机理,并实验验证了预热对裂纹的抑制作用。研究为SLM成形无裂纹近α钛合金零件奠定了基础。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG665

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