TiAl合金电弧熔丝增材制造工艺与机理研究

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TiAl合金因其良好的高温性能可在760~850℃高温下持续稳定工作,在航空发动机零部件制造中有很好的应用前景,但该合金室温塑性差,采用传统的热加工方式进行制造较为困难。随着材料制备工艺的改进,电弧增材制造技术(WAAM)逐渐成熟,采用该工艺制造TiAl合金具有效率高,成本低,材料利用率高等优点。本文将采用TIG电弧进行TiAl合金电弧熔丝增材制造,从粉芯焊丝的制作、TIG电弧增材制造TiAl合金工艺参数、增材制造过程中裂纹的抑制、合金元素V及热处理工艺对TiAl合金增材件的影响等方面进行研究。本文首先制备出能用于试验的TiAl合金粉芯焊丝,通过对焊丝成分的计算,设计出TiAl合金粉芯焊丝与纯Ti丝组成的同侧同速双送丝系统,并在此基础上研究TiAl合金电弧增材工艺参数。以单道熔覆层宏观成形和微观组织作为衡量标准,确定最优工艺参数为:电流105 A、送丝速度65 cm/min、焊接速度150 mm/min、丝极间距5 mm。此外,经过试验发现采用基板预热500℃和控制层间温度在500℃的方式能够抑制TiAl合金电弧增材制造中裂纹的产生。采用最优工艺参数制备出无裂纹的Ti-50Al合金增材件,该增材件内部存在很大的组织不均匀性,顶部区域以树枝晶构成,中部区域以层片组织和树枝晶交替构成,底部区域以层片状组织为基体上面析出不规则胞状组织。三个区域均以γ相为主,Al元素含量均在50%(at.%)左右。该成分的合金凝固路线是从液相中首先析出αTi,随着温度的下降,αTi中析出γ,其组织转变过程为L→L+αTi→αTi+γ→γ。铝含量超过50%时,γ相会互相连接成大尺寸的片状,使得合金的拉伸性能不超过250MPa。为优化TiAl合金增材件的性能,以合金化和热处理工艺来研究其对TiAl合金增材件的影响。V的引入使α2相的含量提高,对大尺寸γ相片层组织起到钉扎作用,晶粒细化,性能得到改善。添加V元素的TiAl合金以层片状的(α2+γ)组织为基体,显微硬度和室温拉伸强度都得到改善,尤其是顶部区域室温抗拉强度达到386 MPa;采用1320℃保温10 min,50℃纯水淬火、1250℃下回火120 min的淬火-回火工艺对添加V和未添加V的两种TiAl合金增材件进行热处理,未添加V的TiAl合金在热处理结束后表面出现了裂纹,内部晶粒粗大,性能下降;添加V的TiAl合金在热处理之后近层片组织转变为细小的双态组织,室温抗拉强度可以达到400 MPa以上,接近500 MPa,能够满足生产应用的要求。
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