Ti6Al4V選區(qū)激光熔化及其與Ti-C-Al體系燃燒合成焊接基礎(chǔ)研究.pdf

1、隨著航天工業(yè)的發(fā)展，對小推力姿控軌控火箭發(fā)動機的要求越來越高，型號產(chǎn)品更新?lián)Q代速度也越來越快。噴注器制造周期長及其與燃燒室焊接性能差等問題制約了姿軌控發(fā)動機的性能和發(fā)展速度。本文提出采用選區(qū)激光熔化（SLM）技術(shù)制備噴注器，然后通過燃燒合成（CS）工藝制備燃燒室的同時原位焊接噴注器的設(shè)想?；诖?，論文對Ti6Al4V鈦合金的SLM技術(shù)及其與Ti-C-A1體系的CS原位焊接技術(shù)進行了基礎(chǔ)性研究。
　　本論文對Ti6Al4V鈦合金的S

2、LM工藝、致密化機理和溫度場數(shù)值模擬等進行了系統(tǒng)而深入的研究，旨在提高SLM鈦合金零件的成形質(zhì)量和致密度。在此基礎(chǔ)上，通過SLM方法制作了用于研究異種材料CS焊接所用的鈦合金環(huán)作為基體材料，選擇Ti-C-Al體系作為焊料，研究了點火方式、壓坯密度、Al含量等對Ti-C-Al體系/Ti6Al4V鈦合金CS焊接接頭性能的影響，并對Ti-C-Al體系 CS的熱力學(xué)和宏觀動力學(xué)及該體系與Ti6Al4V鈦合金CS焊接機理進行了研究。
　　論

3、文主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下：
　　（1）選擇波長為1064nm的Nd:YAG激光器，加裝了傳動系統(tǒng)和氣體保護系統(tǒng)，使之能成形鈦合金零件。
　　（2）研究了粉末特性和成形工藝參數(shù)對Ti6Al4V鈦合金 SLM試樣致密度的影響機理。用于SLM的Ti6Al4V粉末分布范圍較窄，不利于鋪粉致密化，采用尺寸比為0.1左右的二組分 Ti6Al4V粉末進行混合級配，將鋪粉密度提高到接近70％；能量密度對最終試樣的致密度有很大影響，為了保證層

4、間的冶金結(jié)合和最終試樣的致密度，要求激光功率密度超過106W/cm2；根據(jù)激光傳輸深度和粉末性能這兩個因素，確定鈦合金成形層厚為0.1mm。
　　（3）通過單道、單層和塊體SLM成形實驗，系統(tǒng)地研究了工藝參數(shù)（激光功率、掃描速度、掃描路徑、搭接率等）對鈦合金成形特性和致密度的影響，得到了Ti6Al4V鈦合金粉末 SLM最佳掃描策略為回填變向掃描；最佳工藝參數(shù)為：激光功率400W、搭接率1、掃描速度750mm/min；分析了Ti6A

5、l4V粉末SLM試樣的力學(xué)性能，與傳統(tǒng)Ti6Al4V合金性能相比，拉伸性能略低，但是硬度較高。
　?。?）應(yīng)用有限差分法建立了Ti6Al4V粉末 SLM成形過程溫度場的數(shù)學(xué)模型，并運用該數(shù)學(xué)模型編制了鈦合金粉末SLM過程溫度場仿真軟件，實現(xiàn)了單道和單層的溫度場模擬。為驗證所建模型及所編軟件的正確性，利用測溫系統(tǒng)對粉末層表面下0.1mm處的某一點進行驗證測溫，結(jié)果表明實測溫度曲線與模擬溫度曲線基本吻合。進一步對單道掃描與單層掃描的溫

6、度場模擬結(jié)果表明：隨著掃描速度增加，熔池的寬度和深度都減小，熔池處的最高溫度也明顯下降；采用回填變向掃描策略溫度累積效應(yīng)最小。
　?。?）研究了點火方式、壓坯密度、Al含量等對Ti-C-Al體系CS原位焊接Ti6Al4V接頭性能的影響。通過比較認(rèn)為在熱爆-加壓方式下焊縫處溫度最高，達到1539℃，焊接界面存在明顯的過渡區(qū)，剪切強度為68.33MPa；壓坯密度對CS焊接影響顯著，增加壓坯密度可改善接頭性能，但過高的壓坯密度也會使熱量

7、散失加劇，引起接頭性能降低，甚至不連接，合適的壓坯密度在60%左右；Al含量對壓坯合成產(chǎn)物的晶粒大小和焊接接頭性能有很大影響，40%的鋁含量可使CS反應(yīng)產(chǎn)物致密，接頭性能也較好。
　?。?）對Ti-C-Al體系CS反應(yīng)熱力學(xué)和動力學(xué)，進行了深入的研究，并且在此基礎(chǔ)上，建立了反應(yīng)生成的宏觀動力學(xué)模型。
　?。?）根據(jù)焊接界面濃度場方程，對Ti-C-Al/Ti6Al4V焊接界面的濃度場進行了分析，并用焊接界面能譜分析結(jié)果進行了驗

8、證。在此基礎(chǔ)上，從微觀結(jié)構(gòu)方面進一步闡述了界面過渡區(qū)相結(jié)構(gòu)的形成機理，建立了CS焊接界面元素擴散和固相反應(yīng)模型。
　　總之，本文驗證了通過 SLM+CS焊接復(fù)合成形技術(shù)實現(xiàn)金屬陶瓷復(fù)合構(gòu)件一體化快速加工的可行性。利用SLM實現(xiàn)了Ti6Al4V致密成形件，致密度達到95.57%，為下一步成形復(fù)雜鈦合金零件提供了實驗基礎(chǔ)。利用CS反應(yīng)實現(xiàn)了Ti-C-Al金屬間化合物與鈦合金異種材料焊接，獲得了焊接接頭的較大剪切強度，證明了所選材料體系