上海交大等 l 增材制造钛合金微观组织及点阵结构近期研究

根据3D科学谷，航空增材制造需求的金属选择已扩大到包括铝合金、不锈钢、钛合金、镍基和铁基高温合金、铜合金和耐火合金。根据3D科学谷市场研究战略合作伙伴AMPower, 2022年全球增材制造金属材料的销量大约为6852吨（约9.5亿欧元），该市场有望以44%的年增长率在2027年达到4.2万吨（约30亿欧元），其中镍基高温合金年增长率约为37%，钛合金年增长率约为28%。

本期，通过节选近期国内钛合金增材制造领域微观组织及点阵结构方面的实践与研究，3D科学谷与谷友一起来领略快速发展的钛合金3D打印。

©3D科学谷白皮书

基于激光选区熔化

的高塑性钛合金设计

刘英航、王乐耘

上海交通大学轻合金精密成型国家工程研究中心

摘要：激光选区熔化制备的钛合金的显微组织是由粗大的柱状晶快速冷却形成的针状α’马氏体，材料具有强度高、塑性差的性能特点。通过合金成分设计及成形工艺优化，可以调控显微组织，从而提高成形材料的塑性，使成形部件能够达到航空航天装备的使用要求。本文综述了调控激光选区熔化钛合金塑性的一些基本思路及最新研究进展，包括柱状→等轴晶转变、相变调控等。另外，还介绍了与合金设计相关的计算模拟与原位同步辐射试验表征的相关工作。这些研究结果可为开发航空航天专用增材制造钛合金提供参考借鉴。

增材制造钛合金

凝固晶粒调控研究进展

杨俊伟、汤海波、田象军、朱言言

1. 北京航空航天大学材料科学与工程学院2. 北京航空航天大学前沿科学技术创新研究院3. 北京航空航天大学大型金属构件增材制造国家工程实验室4. 北京航空航天大学宁波创新研究院

摘要：钛合金由于比强度高、耐腐蚀好、高温性能好等优异的性能而广泛应用于航空航天、船舶、核电等领域。增材制造技术为大型整体关键钛合金构件的短周期、低成本制造提供了变革性途径，但增材制造产生的粗大柱状晶组织导致了构件的各向异性，限制了合金性能的充分发挥。进行晶粒调控以消除各向异性、提高力学性能成为近些年的研究热点。

本文综述了增材制造钛合金构件典型晶粒形貌及形成机制，阐述了国内外在增材制造钛合金晶粒调控方面的研究进展，包括工艺参数优化、微合金化改性与新合金成分设计、外加能量场、后续热处理、新型增材制造工艺和多种方法复合等，总结了各类方法的调控机制和调控效果，对增材制造钛合金凝固晶粒调控的未来发展提出了思考与展望。

等离子弧熔丝增材制造

TC4-DT钛合金组织与疲劳断裂行为

潘子钦、张海鸥、王桂兰、符友恒、刘鑫旺、宋新莉

1. 武汉科技大学耐火材料与冶金国家重点实验室2. 华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室3. 武汉天昱智能制造有限公司

摘要：采用单轴拉伸疲劳试验系统，研究了等离子弧熔丝加微挤压增材制造TC4-DT钛合金的微观组织与疲劳性能关系。结果表明，等离子弧熔丝微铸锻制备的钛合金中原β晶粒呈等轴状，晶内α片状组织与晶间β相形成网篮组织与束域组织，α片层基体有少量位错，及纳米尺寸β相。合金的屈服强度为845.08 MPa,抗拉强度为943.19 MPa,伸长率为14.4%,循环应力比为0.1,频率为25 Hz。随应力幅的增大，合金疲劳寿命降低显著。

由于孔洞等缺陷的存在，疲劳寿命出现较大的弥散性。疲劳裂纹萌生于合金内部气孔与未熔合区，疲劳裂纹扩展区有二次裂纹与疲劳辉纹，瞬断区呈韧性断裂特征。

钛合金材料异构点阵结构的

增材制造成形质量和力学性能研究

孟浩

北京建筑大学

摘要：金属点阵材料具有比模量高、比强度高、轻量化和缓冲吸能等优势,在交通运输、航空航天和生物医疗领域有巨大的应用潜力;同时近年来快速发展的增材制造技术能有效提高点阵材料的精度和可设计性,为金属点阵材料的研究和应用提供了新方法,推动点阵材料的发展。但目前研究主要聚焦于由单一类型的单元阵列得到的点阵结构,很少考虑不同类型单元组成的点阵结构中排列方式对结构力学性能的影响,同时较少兼顾激光选区熔化工艺对钛合金点阵成形质量的影响。所以本研究设计了不同单元组合形成的异构点阵结构,针对尺寸精度与成形质量难以保证、异构点阵结构整体力学性能缺乏系统性研究等问题,以钛合金Ti-6Al-4V为原材料,研究选区激光熔化工艺(SLM)对钛合金异构点阵结构的影响机理并探究工艺优化方法;通过准静态压缩实验和有限元分析评估该结构的力学性能,为轻量化设计和应用提供技术基础。

本文研究内容和成果如下:

(1)激光选区熔化工艺(SLM)调控对钛合金试样成形的影响。根据以往研究,筛选激光功率、扫描速度、铺粉层厚三个变量后开展三水平三因素的响应曲面设计实验,使用不同工艺参数组合制备钛合金试件,对试样的圆柱度和杆径进行测量,分析影响成形质量显著性因素,探究工艺参数间的交互作用规律,建立了不同工艺参数同SLM成形试样的圆柱度、杆径两个响应的可靠数学模型。确定了激光功率、扫描速度、铺粉层厚的最优组合区间,实现了工艺优化。

(2)通过观测并对比不同倾斜角度下SLM成形微杆的杆径,发现两种倾斜角的微杆侧表面、下表面均出现了因粉末颗粒聚集而导致的挂渣现象,导致微杆的实际杆径普遍大于设计值,倾斜角越大微杆表面形貌更加平整。同时对选区激光熔化钛合金材料表面形貌进行了分析,发现试件中存在鱼鳞纹现象,存在球化、剥蚀和裂纹缺陷,并针对缺陷提出了改善方法。

(3)开展钛合金异构点阵结构的设计和成形过程仿真研究。根据生物学原理,设计由体心立方(BCC)单元结构和面心立方(FCC)单元结构组合而成的多类异构点阵结构;通过模拟仿真的方式预测了钛合金异构点阵结构的等效残余应力及变形的分布状态,结合热扩散效应,分析了工艺参数对点阵结构成形的影响机理。基于前期研究,在激光功率为260W、扫描速度为600mm/s、铺粉层厚为40μm的较优工艺参数组合下制备异构点阵结构试件并进一步评价了SLM成形点阵结构表面质量。

(4)研究不同单元混合排列模式对点阵结构变形行为和承载能力的影响。通过准静态压缩实验结合力学实验有限元仿真计算,分析比较仿真中杆件变形位移、整体结构最大等效应力云图,发现异构点阵结构同单一单元阵列所得的点阵结构类似,表现出非线性的破坏过程,但由于单元格构型的不同,异构点阵结构在极限强度上存在明显差异。通过改变不同点阵单元组合方式可以提升新结构的抗压强度,其抗压强度相较BCC和FCC最高分别提升了243.57%和39.715%。进一步分析了不同排列模式对异构点阵结构变形行为和失效的影响规律。压缩试验和仿真模拟结果表明:所有类型的点阵结构均在杆件节点处有明显的应力集中现象,不同点阵单元在设计时分布越均匀其断裂的位置越靠近试件中部,主要失效模式为45°角剪切失效,而应力集中和球化等缺陷是试件的坍塌断裂的主要原因。

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