论文部分内容阅读
激光立体成形技术兼顾精确成形和性能成性的需求,在设计新型钛合金和工程实践中应用广泛。Ti-V-Cr系阻燃钛合金具有较优良的机械性能和阻燃性能,是目前较成熟的航空发动机用阻燃钛合金材料。本研究以纯Ti、纯V和纯Cr的混合元素粉末为原料,使用高吸收率的半导体激光器和连续快轴流CO2激光器成形Ti-xV-15Cr(20≤x≤35)合金,针对其组织演化规律以及部分性能展开研究,取得的主要研究成果如下:1.以混合元素粉末为原料激光立体成形制备的试样符合预期成分配比,未出现宏观成分偏析;物相分析的结果显示,Ti-xV-15Cr(20≤x≤35)合金由体心立方单相β组成,无第二相析出。针对半导体激光束成形Ti-xV-15Cr(20≤x≤35)合金的凝固组织展开研究,结果表明,V元素含量的增加对合金凝固组织形态未产生显著影响,晶粒平均尺寸逐渐减小,Ti-V-15Cr合金的凝固组织均是由竹节状的柱状晶或类等轴晶组成,顶部皆由细小等轴晶层组成,随着V含量的增加,顶部等轴晶厚度逐渐减小。2.基于多元合金凝固柱状晶/等轴晶转变(Columnar to equiaxed transition,CET)模型以及激光沉积过程熔池凝固条件分析,揭示激光立体成形Ti-V-15Cr合金凝固组织形成机理。结果表明,Ti-xV-15Cr(20≤x≤35)合金中,V含量的增加对CET转变临界条件的影响极小,凝固条件一定时,V元素含量的增加不会对合金凝固组织形态产生显著影响,因而半导体激光立体成形Ti-xV-15Cr(20≤x≤35)合金中,V元素由20wt%增加至35wt%,合金凝固组织形态未产生明显变化,理论分析与实验观察结果一致。此外,研究发现,熔池凝固条件是影响激光立体成形Ti-xV-15Cr(20≤x≤35)合金凝固组织形态的关键。基于以上分析,选择典型成分合金Ti-35V-15Cr,采用CO2激光器激光沉积制备合金试样,以显著改变熔池凝固条件。结果表明,在采用CO2激光束,且对沉积工艺进行合理设计的条件下,得到由全?柱状晶组成的Ti-35V-15Cr合金试样。表明激光立体成形Ti-xV-15Cr(20≤x≤35)合金的凝固组织具有较高的可控性,通过合理设计控制工艺,能够实现合金凝固组织调控。3.在组织演化规律研究的基础上,对激光立体成形Ti-xV-15Cr(20≤x≤35)合金及其不同区域进行了纳米压痕、显微硬度测试以及阻燃性能测试,结果表明:在相同的工艺条件下,随着V元素含量的增加,Ti-xV-15Cr(20≤x≤35)合金在最大载荷时的平均硬度逐渐增加;此外,观察Ti-xV-15Cr(20≤x≤35)合金的硬度-位移曲线可以发现,自沉积层的底部到顶部,各合金的硬度与弹性模量都呈逐渐增加的趋势,而位移则逐渐减小。在阻燃性能方面,随着V元素含量的增加,合金燃烧的速率逐渐降低,激光立体成形Ti-xV-15Cr(20≤x≤35)合金的阻燃性能逐渐增强。