3D打印TC4合金的组织与缺口高周疲劳性能

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3D打印技术具有能制备复杂构件、生产周期短、可设计性强等优点,已被广泛应用于航空航天领域。而在3D打印过程中不可避免的会出现自然打印缺陷,例如气孔、未熔合、氧化物、裂纹等,这些缺陷会对材料的疲劳性能产生很大的危害;与此同时,在实际应用中,航空构件的尺寸结构复杂多变,疲劳裂纹往往会萌生于构件的应力集中处。因此,研究3D打印材料在应力集中情况下的疲劳性能对其构件的安全可靠性设计具有重要意义。本文以两种选区激光熔化技术(Selective laser melting,SLM)工艺制备的TC4合金(MV和SV试样)为研究对象,其中MV工艺参数为激光功率200 W,扫描速度1400 mm/s,层厚60μm,SV工艺参数为激光功率300 W,扫描速度1200 mm/s,层厚60μm。对其微观组织及缺陷进行表征分析,同时对其硬度、拉伸性能及Kt=1、2和3的缺口疲劳行为进行系统研究,并着重探讨影响缺口疲劳性能的关键因素。研究两种工艺制备材料的组织与缺陷发现,MV与SV试样垂直于沉积方向上的组织为“棋盘状”组织结构,MV试样平行于沉积方向为短小β柱状晶,SV试样平行于沉积方向的是粗大的β柱状晶;MV与SV试样自然打印缺陷在试样内部均匀分布,同种工艺不同批次材料会在缺陷尺寸、孔隙率、球度等方面有所差别。研究两种工艺制备材料的硬度、拉伸性能及缺口疲劳行为发现,MV材料的显微硬度、抗拉强度、断后伸长率都高于SV材料;不同工艺制备材料的缺口疲劳性能与材料的缺陷状态密切相关,所有断裂试样的疲劳裂纹都萌生于试样表面的未熔合缺陷或氧化物处,且断裂试样的疲劳寿命都低于10~6周次,MV与SV试样的条件疲劳强度都随着应力集中系数的增加而降低。分析影响缺口疲劳性能的因素发现,在相同的宏观应力集中系数、缺陷位置和缺陷面积情况下,缺陷边缘的尖锐程度会严重影响缺陷区域的局部应力集中,缺口试样的疲劳性能是由宏观应力集中系数—缺陷面积—缺陷尖锐程度三个因素耦合后共同决定的,可以在Murakami经典公式的基础上耦合一项缺陷尖锐程度修正系数来描述缺陷对疲劳寿命的影响。
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