溫度調(diào)控對鈦合金激光沉積成形材料性能影響機制研究.pdf

1、激光沉積成形技術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，通過逐層累積制造零件，該技術可以進行復雜幾何形狀金屬零件的直接制造，在復雜結構難加工材料的制造中有很大的應用價值。鈦合金具有優(yōu)秀的機械性能和生物相容性，廣泛應用于航空航天工業(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+機加工的制造方法加工鈦合金，材料去除量大，周期長。使用激光沉積成形技術能夠顯著地縮短鈦合金復雜零件的制造周期，降低制造成本

2、，并且能夠實現(xiàn)破損零件的修復。然而在激光沉積成形技術中，激光束的快速移動造成巨大的溫度梯度，產(chǎn)生熱應力，同時材料快速熔凝，造成組織材料分布不均勻，從而給成形零部件帶來嚴重的變形和表面開裂的問題。本文針對鈦合金激光沉積成形技術中材料力學性能一致性差，組織不均勻的問題，引入基體預熱緩冷工藝，分析該工藝對Ti-6Al-4V激光沉積材料的影響機制。本文的主要研究內(nèi)容如下:
　　首先通過對不同的條件下組織凝固進行理論分析，激光沉積成形熔池的

3、凝固過程屬于亞快速非平衡凝固過程，伴隨復雜的相變和熱力學變化。基體預熱同時改變?nèi)鄢氐臏囟忍荻群湍趟俾?，不會顯著改變固液界面穩(wěn)定因子的大小，因此基體預熱不會顯著改變沉積層微觀組織的類型，但是會增加晶粒尺寸。根據(jù)沉積層孔隙缺陷形成理論，基體預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材料的微觀組織結構的變化趨勢，對基體預熱工藝條件下激光沉積鈦合金微觀組織的影響進行預測。此外本文對鈦合金板材預

4、熱的溫度變化特性進行了有限元分析，并且針對激光沉積成形板材預熱進行工作臺的開發(fā)。
　　然后，本文進行Ti-6Al-4V鈦合金單道激光沉積成形試驗，分析了在不同基體預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)預熱溫度對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)深度隨著預熱溫度的提高而升高，熔高隨著預熱溫度的提高而降低。預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、℃以上的預熱溫度下，能夠獲得沒有氣孔缺陷的沉積層。在基體預熱的條件下，沉積層組織的平均晶粒尺寸增大，并且出現(xiàn)貫穿結合面的柱狀晶。沉積層主要由細長的片狀α相及α+β相魏氏組織組成，隨著預熱溫度的提高，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。隨著基體預熱溫度的提高，沉積層平均顯微硬度逐漸降低。緩冷處理對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熱溫度顯著。
　　最后，本文進行了不同預熱溫度

6、下的多道激光沉積試驗，并且對沉積層表面的殘余應力進行測量，研究預熱溫度對沉積層殘余應力的影響。另外，本文設計了正交試驗，獲得了包含預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)進行了鈦合金薄壁框形零件的激光沉積成形，對成形零件的基體變形和表面裂紋進行了觀測和分析。本文發(fā)現(xiàn)基體預熱能夠降低鈦合金激光沉積材料表層的殘余應力并且對沉積層的殘余應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力，但是效果不如提高預熱溫度