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激光选区熔化成形TA15钛合金工艺性能研究

2020-12-02阅读(423)

激光选区熔化成形TA15钛合金工艺性能研究

论文摘要

TA15（Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V）钛合金属于近α型钛合金,不仅具有α型钛合金良好的热强性和可焊性以及接近于α-β型钛合金的工艺塑性,还具有中等的室温和高温强度、低密度和耐腐蚀等优良特质被广泛应用于航空航天零部件及发动机结构中。对于形状、结构复杂的TA15钛合金飞机结构件的制造,传统锻造方法存在设备要求高、工艺复杂、材料利用率低、生产周期长等缺点。激光选区熔化（SLM）技术作为最具潜力的增材制造方法为加工具有成本低、生产周期短以及制造复杂形状的TA15零部件提供了可能,因此研究SLM成形TA15合金的工艺性能具有重要的意义。本文以TA15合金粉末为原料,以激光选区熔化成形技术为加工方法,研究了激光参数对试样内部缺陷和裂纹的影响规律,分析了孔洞和裂纹的形成机制,研究了成形态显微组织,明确了组织形成过程。研究了激光能量密度对成形态组织和力学性能的影响规律,明确了激光能量输入-显微组织-力学性能之间的关系。最后通过研究热处理对成形态组织和力学性能的影响,获得了组织均匀,强度和延伸率匹配良好,力学性能超过锻造标准的热处理试样。研究结果表明:SLM成形工艺参数中扫描间距对上表面形貌有着重要影响,激光能量输入影响内部缺陷类型和数量,随着能量密度增加,由未熔合孔洞缺陷过渡到球形气孔缺陷,致密度先增大后减小,致密度最高为99.7%;高能量输入下产生开裂现象的原因是内部存在较大的热应力,作用在侧壁尖角处形成应力集中,针状马氏体组织使基体抗裂性变差,并且由飞溅金属液滴凝固而成的球形颗粒未能与基体形成牢固结合,因此导致了试样横向开裂和扩展。SLM成形态组织由针状α’马氏体构成,沉积过程中五次峰值温度不同的热循环造成了针状马氏体分级现象。随着激光能量密度的增加,成形态试样抗拉强度逐渐降低,屈服强度逐渐增加,延伸率逐渐降低。激光能量密度为52.91 J/mm3时,抗拉强度达到1250 MPa,屈服强度达到1063 MPa,延伸率为3.1%。经过750℃、840℃、900℃和940℃保温2小时空冷热处理后得到由α+β相构成的网篮组织。随着热处理温度的升高,抗拉强度和屈服强度逐渐降低,延伸率逐渐增加,断裂机制由半韧性半解理断裂逐渐转变为韧性穿晶断裂。940℃热处理后延伸率增加到11.5%,抗拉强度为1061 MPa,屈服强度为961 MPa。900℃和940℃热处理后拉伸性能均超过锻件退火态标准。基于上述激光选区熔化成形TA15合金工艺性能的研究,建立了工艺参数/热处理-显微组织-力学性能之间关系,为进一步探索TA15合金SLM工艺研究提供了参考。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第1章 绪论
  •   1.1 激光选区熔化技术
  •     1.1.1 激光选区熔化技术基本原理
  •     1.1.2 激光选区熔化技术特点
  •   1.2 钛合金
  •     1.2.1 钛合金的特性和分类
  •     1.2.2 钛合金的微观组织与性能
  •   1.3 钛合金激光快速成形技术国内外研究现状
  •     1.3.1 钛合金激光选区熔化成形技术研究现状
  •     1.3.2 TA15 合金激光熔化沉积成形研究现状
  •   1.4 本课题主要研究内容
  • 第2章 实验材料和方法
  •   2.1 实验材料
  •   2.2 激光选区熔化成形设备
  •   2.3 显微组织分析方法
  •     2.3.1 光学显微镜（OM）分析
  •     2.3.2 扫描电子显微镜（SEM）分析
  •     2.3.3 X射线衍射（XRD）分析
  •   2.4 力学性能测试
  •   2.5 热处理方案
  •   2.6 本章小结
  • 第3章 SLM成形TA15 合金工艺参数优化
  •   3.1 工艺参数制定方案
  •   3.2 SLM工艺参数对成形质量的影响
  •     3.2.1 激光功率对成形质量的影响
  •     3.2.2 激光扫描速度对成形质量的影响
  •     3.2.3 激光扫描间距对成形质量的影响
  •     3.2.4 激光能量密度对成形质量的影响
  •   3.3 TA15 合金SLM成形裂纹机制
  •     3.3.1 裂纹形貌
  •     3.3.2 开裂原因分析
  •   3.4 本章小结
  • 第4章 TA15 合金SLM成形态组织和力学性能
  •   4.1 TA15 合金SLM成形态组织
  •   4.2 SLM成形态组织马氏体分级现象分析
  •   4.3 激光能量密度对成形态组织和性能的影响
  •     4.3.1 激光能量密度对成形态组织影响
  •     4.3.2 激光能量密度对成形态力学性能影响
  •   4.4 本章小结
  • 第5章 热处理对成形态组织和力学性能的影响
  •   5.1 热处理温度对成形态组织的影响
  •     5.1.1 光镜（OM）组织分析
  •     5.1.2 扫描电镜（SEM）组织分析
  •   5.2 热处理温度对力学性能的影响
  •   5.3 断口分析
  •   5.4 本章小结
  • 第6章 总结与展望
  •   6.1 结论
  •   6.2 展望
  • 参考文献
  • 攻读硕士学位期间所发表的学术论文和专利
  • 致谢

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 郭彦梧

    导师: 张冬云

    关键词: 激光选区熔化,合金,工艺参数,显微组织,力学性能,热处理

    来源: 北京工业大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

    专业: 物理学,金属学及金属工艺,金属学及金属工艺,无线电电子学

    单位: 北京工业大学

    分类号: TN249;TG146.23;TG665

    DOI: 10.26935/d.cnki.gbjgu.2019.000741

    总页数: 66

    文件大小: 3982K

    下载量: 171

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