溫度調(diào)控對(duì)鈦合金激光沉積成形材料性能影響機(jī)制研究.pdf

1、激光沉積成形技術(shù)是一種新型的增材制造加工手段，使用高能激光束熔化金屬粉末，通過(guò)逐層累積制造零件，該技術(shù)可以進(jìn)行復(fù)雜幾何形狀金屬零件的直接制造，在復(fù)雜結(jié)構(gòu)難加工材料的制造中有很大的應(yīng)用價(jià)值。鈦合金具有優(yōu)秀的機(jī)械性能和生物相容性，廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè)和生物植入體的制造中，但是鈦合金屬于典型的難加工材料，使用傳統(tǒng)的鍛造+機(jī)加工的制造方法加工鈦合金，材料去除量大，周期長(zhǎng)。使用激光沉積成形技術(shù)能夠顯著地縮短鈦合金復(fù)雜零件的制造周期，降低制造成本

2、，并且能夠?qū)崿F(xiàn)破損零件的修復(fù)。然而在激光沉積成形技術(shù)中，激光束的快速移動(dòng)造成巨大的溫度梯度，產(chǎn)生熱應(yīng)力，同時(shí)材料快速熔凝，造成組織材料分布不均勻，從而給成形零部件帶來(lái)嚴(yán)重的變形和表面開裂的問(wèn)題。本文針對(duì)鈦合金激光沉積成形技術(shù)中材料力學(xué)性能一致性差，組織不均勻的問(wèn)題，引入基體預(yù)熱緩冷工藝，分析該工藝對(duì)Ti-6Al-4V激光沉積材料的影響機(jī)制。本文的主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　首先通過(guò)對(duì)不同的條件下組織凝固進(jìn)行理論分析，激光沉積成形熔池的

3、凝固過(guò)程屬于亞快速非平衡凝固過(guò)程，伴隨復(fù)雜的相變和熱力學(xué)變化?；w預(yù)熱同時(shí)改變?nèi)鄢氐臏囟忍荻群湍趟俾?，不?huì)顯著改變固液界面穩(wěn)定因子的大小，因此基體預(yù)熱不會(huì)顯著改變沉積層微觀組織的類型，但是會(huì)增加晶粒尺寸。根據(jù)沉積層孔隙缺陷形成理論，基體預(yù)熱能夠降低熔池的凝固速率，減小沉積層孔隙缺陷形成的可能性。引用不同溫度下Ti-6Al-4V材料的微觀組織結(jié)構(gòu)的變化趨勢(shì)，對(duì)基體預(yù)熱工藝條件下激光沉積鈦合金微觀組織的影響進(jìn)行預(yù)測(cè)。此外本文對(duì)鈦合金板材預(yù)

4、熱的溫度變化特性進(jìn)行了有限元分析，并且針對(duì)激光沉積成形板材預(yù)熱進(jìn)行工作臺(tái)的開發(fā)。
　　然后，本文進(jìn)行Ti-6Al-4V鈦合金單道激光沉積成形試驗(yàn)，分析了在不同基體預(yù)熱溫度下和不同的后續(xù)冷卻速率的條件下沉積層的宏觀形貌、微觀組織以及顯微硬度，發(fā)現(xiàn)預(yù)熱溫度對(duì)沉積層宏觀形貌有顯著的影響，沉積層熔深、熔寬、稀釋率、熱影響區(qū)深度隨著預(yù)熱溫度的提高而升高，熔高隨著預(yù)熱溫度的提高而降低。預(yù)熱溫度的提高能夠減小沉積層出現(xiàn)氣孔缺陷的可能性，在300

5、℃以上的預(yù)熱溫度下，能夠獲得沒(méi)有氣孔缺陷的沉積層。在基體預(yù)熱的條件下，沉積層組織的平均晶粒尺寸增大，并且出現(xiàn)貫穿結(jié)合面的柱狀晶。沉積層主要由細(xì)長(zhǎng)的片狀α相及α+β相魏氏組織組成，隨著預(yù)熱溫度的提高，魏氏體組織變得更加粗壯。沉積層的顯微硬度顯著大于基體的顯微硬度。隨著基體預(yù)熱溫度的提高，沉積層平均顯微硬度逐漸降低。緩冷處理對(duì)沉積層的微觀組織和顯微硬度都有一定的影響，但是影響效果不如改變預(yù)熱溫度顯著。
　　最后，本文進(jìn)行了不同預(yù)熱溫度

6、下的多道激光沉積試驗(yàn)，并且對(duì)沉積層表面的殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量，研究預(yù)熱溫度對(duì)沉積層殘余應(yīng)力的影響。另外，本文設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn)，獲得了包含預(yù)熱工藝的激光沉積成形優(yōu)選工藝參數(shù)，并且使用該參數(shù)進(jìn)行了鈦合金薄壁框形零件的激光沉積成形，對(duì)成形零件的基體變形和表面裂紋進(jìn)行了觀測(cè)和分析。本文發(fā)現(xiàn)基體預(yù)熱能夠降低鈦合金激光沉積材料表層的殘余應(yīng)力并且對(duì)沉積層的殘余應(yīng)力起到均勻化的作用。激光沉積后的緩冷處理也能夠降低沉積層表層的殘余應(yīng)力，但是效果不如提高預(yù)熱溫度