激光增材制造高温合金原位增强钛合金复合材料的组织与力学性能

采用激光选区熔化成形（selective laser melting,SLM）技术制备TCGH(TC4+GH4169)复合材料,探究TCGH钛合金复合材料的最佳成形工艺参数,并研究沉积态试样和热处理试样的显微组织与力学性能。结果表明：TCGH钛合金复合材料的最佳工艺参数为扫描速率900 mm/s、激光功率150 W,致密度达到99.5%以上。GH4169粉末的添加改变了TC4钛合金材料的固态相变行为,沉积态组织呈现明显高温凝固特征,使得逐行扫描搭接和逐层扫描堆积成形特征变得明显,沿打印方向原始粗大柱状β晶粒尺寸明显减小,复合材料抗拉强度提升。与沉积态试样相比,950℃热处理后,试样显微组织转变为近等轴组织,同时随着热处理温度上升,第二相的回溶导致复合材料的固溶强化作用占主导地位,使得复合材料抗拉强度和塑性均得到提升。     

人工植入缺陷对增材制造TC4钛合金性能的影响规律

采用激光选区熔化（Selective Laser Melting, SLM）的增材制造成形技术制备内含人工设计缺陷的TC4钛合金样品,研究了预埋缺陷的尺寸、位置对成形合金室温拉伸性能的影响规律。结果表明：由于SLM成形过程人工植入缺陷内包含的合金粉末无法排出热处理后在孔洞缺陷表面烧结,导致缺陷实际尺寸较设计尺寸略小。当预埋缺陷直径小于0.7 mm时,合金抗拉强度基本保持不变,试样均从非预埋缺陷区断裂;当预埋缺陷直径超过0.7 mm后,抗拉强度随缺陷尺寸增大而显著降低,试样均从预埋缺陷区断裂。合金延伸率受缺陷的影响较为显著,随着缺陷尺寸的增大,延伸率整体呈现逐渐降低的趋势,当缺陷尺寸超过0.7 mm后,延伸率急剧降低,缺陷尺寸超过0.9 mm后,延伸率在2%～4%范围内波动。缺陷尺寸超过0.7 mm后,缺陷尺寸是影响增材制造合金强度和延伸率的主导因素。     

锻造变形对扩散连接TC4钛合金的影响

本文开展了TC4钛合金棒材扩散连接及锻造工艺实验,研究了锻造变形量对扩散连接界面显微组织和力学性能的影响规律。结果表明,采用950℃、140 MPa、4 h的扩散连接工艺,TC4钛合金连接界面实现了冶金结合,合金强度达到母材强度的95%以上,延伸率为7%,合金在扩散区发生脆性断裂。扩散连接的TC4钛合金经过高温锻造后,扩散连接界面完全消失,显微组织由等轴α相、次生α相与少量的β相组成;随着锻造变形量的增加,等轴α相的尺寸逐渐降低、次生α相体积分数增大,合金强度呈现升高趋势;当变形量为40%时,等轴α相和次生α相含量达到较优匹配度,抗拉强度达到950 MPa,延伸率达到17.5%,锻造后合金的断裂方式转变为韧性断裂。     

硼含量对激光熔覆沉积TC4钛合金显微组织与力学性能影响

基于航空航天领域对高比强度、耐高温以及耐磨损钛合金材料的迫切需求，本文采用激光熔覆沉积(Laser Cladding Deposition, LCD)技术制备出含硼(B)的TC4钛合金复合材料，并研究了B元素含量对其显微组织和力学性能的影响。结果表明，随着B元素含量增加，可以显著降低LCD成形TC4钛合金的晶粒尺寸，其晶粒尺寸从1294μm降低至28.6μm，在硼元素作用下也逐渐弱化了LCD技术导致的柱状晶现象；当B含量较低时，TC4钛合金LCD成形过程中生成的TiB主要在原始β晶界处富集，随着B元素含量增加，针状TiB逐渐在晶粒内部析出。在LCD成形TC4钛合金复合材料性能方面，随着B含量增加，合金的硬度与强度也逐渐增大，显微硬度从313.23 HV增大至359.24 HV，抗拉强度由848 MPa增加至1119.5 MPa，提升了32.02%。本文研究为增材制造复杂结构高性能钛基合金构件在航空航天领域的应用提供理论支撑。     

低高温双重热处理对激光选区熔化TC4钛合金断裂韧性影响

研究了低高温双重热处理对激光选区熔化(Selective Laser Melting，SLM)成形TC4钛合金组织特征及断裂韧性的影响规律。结果表明：低温退火成形态合金横截面显微组织表现为大量针状马氏体α′相和β相，纵截面表现为沿成形方向生长的柱状晶，晶内针状马氏体α′相板条与成形方向的夹角成45o左右。热处理后，针状α′相转变为板条α相，形成α+β的板条组织。随着热处理温度的升高，α片层逐渐粗化，裂纹扩展路径曲折程度增加，断裂韧性由成形态的43.1 MPa?m1/2，逐渐提高至109 MPa?m1/2。     

TC4钛合金扩散连接区热变形特性行为研究

以TC4钛合金扩散连接区为研究对象，在变形温度920，950，980，1010 ℃及应变速率0.01，0.1，1，10 s-1的条件下进行热变形试验，研究了变形温度和应变速率对TC4钛合金扩散连接区流变应力和微观组织的影响规律。研究结果表明：TC4钛合金扩散连接区在高温下具有明显的动态软化特征，流变应力随变形温度的升高而降低，随变形速率的提高而增大；高温变形后扩散连接界面消失，随变形温度的增加，等轴α相的体积分数减少，同时伴有短棒状和板条状的次生α相出现，且次生α相的体积分数随应变速率增加逐渐降低；当变形温度达到1010 ℃时，出现马氏体α′相；以双曲正弦形式修正的Arrhenius方程为基础，建立了TC4钛合金扩散连接区双曲正弦本构方程以及热加工图，确定TC4钛合金扩散连接区的最佳变形温度为920~950 ℃，变形速率为0.01~0.1 s-1。     

激光扫描速度对Ti-Ni形状记忆合金组织和性能影响

采用激光选区熔化(selective laser melting, SLM)成形技术制备Ti-Ni形状记忆合金，利用OM、SEM、XRD和室温压缩等研究SLM增材制造参数改变对成形合金内部缺陷、熔池形貌、相变行为及力学性能等影响规律。结果表明，在SLM其它打印参数保持不变的情况下，随激光扫描速度增加成形合金内部缺陷形貌由近规则球形转变为不规则形状；逐行扫描熔池形貌宽度减小且连续性下降；随激光扫描速度增加富Ni基Ti-Ni形状记忆合金相组成含量发生改变，B2奥氏体相含量增加，B19’马氏体相含量减少；成形富Ni基Ti-Ni形状记忆合金相变温度随激光扫描速度增加先降低后升高，但升降温相变过程中均为单一相变峰；当扫描速度为900mm/s时成形富Ni基Ti-Ni形状记忆合金相对密度达到98.5%，内部缺陷含量较少且处于缺陷类型转变范围内，同时试样的最大抗压强度为3120MPa，对应压缩应变为41%，具有较好的综合性能，为最佳打印参数。