激光立体成形及激光焊接Ti40阻燃钛合金组织和性能研究

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钛合金因其具有比重小、比强度高等优点被广泛应用在航空航天领域,但是常规钛合金在高温环境下容易发生“钛火”事故,限制了钛合金在航空发动机领域的应用和发展。Ti40阻燃钛合金因为具有优异的阻燃性能、良好的力学性能受到越来越广泛的关注。但是Ti40钛合金金属流动性差,晶界易开裂,热加工性能较差,限制了它的进一步推广应用。而激光立体成形技术具有加工材料种类广泛、高效低成本的优势,在Ti40钛合金制造中具有良好的应用前景。因此,本文以Ti40阻燃钛合金为研究对象,重点研究了激光立体成形过程中Ti40钛合金组织演变规律、力学性能和阻燃性能。在此基础上,研究了Ti40钛合金沉积态试样和锻态试样的焊接性,探究了“锻态+LSF”试样焊接接头的微观组织和力学性能的变化规律,为实现激光立体成形Ti40在航空发动机领域的工程应用提供理论基础。得出如下结论:(1)揭示了激光立体成形Ti40阻燃钛合金的微观组织和力学性能变化规律。激光沉积的单壁墙试样底部区域和顶部区域为β等轴晶,中部区域为β柱状晶,并且中部晶粒尺寸最大,底部区域晶粒尺寸次之,顶部区域晶粒尺寸最小。块体沉积试样的β晶粒分布规律与单壁墙试样相同,但是块体沉积试样的晶粒尺寸比单壁墙试样粗大。激光立体成形Ti40钛合金沉积试样中β晶粒内有α相和Ti5Si3相产生,从底部到顶部析出相含量逐渐减少。Ti40钛合金单壁墙试样和块体试样沿沉积方向的显微硬度呈“U”形分布,但块体试样的硬度值整体略低于单壁墙试样。细晶强化对激光立体成形Ti40沉积试样显微硬度的影响大于析出相对硬度的影响。激光立体成形Ti40阻燃钛合金单壁墙的抗拉强度和屈服强度是989 MPa、978 MPa,块体沉积试样的抗拉强度和屈服强度分别为965 MPa、962 MPa,均大于Ti40锻件。单壁墙试样(19.8%)的延伸率大于锻件(18%),但块体试样的延伸率(16.5%)略低于锻件,为锻件的91.7%。(2)探究了激光立体成形Ti40钛合金沉积试样的阻燃性能。Ti40钛合金沉积试样经过激光烧蚀后,烧蚀孔内部出现宽化裂纹,蚀孔四周形成β柱状晶。在激光烧蚀后,烧蚀孔表面生成Ti O2、V2O5、Cr2O3形成了致密的氧化层能够有效阻止Ti、O元素的扩散起到阻燃效果。同时Ti40沉积试样的低熔点、高热导率可以带走大量的热量,降低试样的周围温度。沉积试样析出的Ti5Si3和α相容易使试样内部产生微观结构缺陷,这些微观结构缺陷加速了V、Cr元素的扩散,使沉积试样的表面形成比锻件更致密的氧化层和Cr元素富集层。以上三个因素的综合作用使得激光立体成形Ti40钛合金沉积试样的阻燃性能略优于锻态试样。(3)探究了Ti40阻燃钛合金焊接接头的微观组织和力学性能的演化规律。焊接接头分为母材、热影响区和焊缝。但热影响区很小,不明显;焊缝内的晶粒尺寸小于锻态母材的晶粒尺寸。“锻态+锻态”试样中由熔合线向焊缝中心的晶粒尺寸逐渐减小;熔合线附近的晶粒为β柱状晶,焊缝中心晶粒为β等轴晶。而“锻态+LSF”靠近沉积态母材侧的焊缝的微观组织是以未熔母材为基体,定向外延生长的β柱状晶。在两种试样的焊缝中心均发现了α和Ti5Si3析出相,但析出相的数量比较少。“锻态+LSF”试样焊缝的硬度略高于“锻态+锻态”试样;并且发现“锻态+LSF”试样沉积态侧硬度略高于锻态侧硬度。对Ti40焊接接头进行拉伸性能测试发现,两种拉伸试样均断裂在母材区,但是“锻态+LSF”试样断裂在沉积态母材侧。两种拉伸试样的断裂方式均为韧性断裂和解理断裂的混合断裂。
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