TiAl基微叠层复合材料激光选区熔化成形机理及制备工艺研究

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TiAl合金具有密度低、比强度高、耐氧化和高温抗蠕变性能好等优点,可实现高温结构件减重30-40%,在航空航天、汽车等领域具有广阔的应用前景。然而,由于TiAl合金的室温塑性低和热加工难度大而严重制约了其发展和应用。为改善其塑性,人们发展了具有仿生结构的TiAl基微叠层复合材料,通过塑韧合金(Ti、Nb合金)微叠层增韧,可解决TiAl室温脆性的局限性,呈现出良好的综合力学性能。然而TiAl基微叠层复合材料制备难度更大,目前只停滞在材料制备研究方面,尚无法实现零件制造。激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)技术是增材制造领域的重要发展方向,与传统加工相比,具有可直接成形任意复杂形状金属零件的优势。该方法基于逐层堆积的原理,可逐层控制材料体系,为实现TiAl微叠层复合材料—零件制备成形一体化制造提供了可能性。为此,本文设计了用于微叠层复合材料制备的异质材料激光选区熔化设备,并选择TC4合金作为增塑韧性材料,研究了通过异质材料激光选区熔化实现TiAl合金与TC4合金逐层交替堆积的微叠层复合材料制备方法。主要内容如下:(1)异质材料激光选区熔化设备的研制。该设备主要包含激光系统、铺粉系统、成形升降系统、高温预热系统、气体保护系统、控制系统等。解决了异质材料铺粉和高温预热等关键技术问题。设计研发了能分别存储不同粉末的双粉仓,实现了异质材料的定量送粉和铺置;同时采用具有差异化粒径的两种粉末,不仅可以实现微叠层复合材料和构件的成形,同时剩余未参与成形的混合粉末可以根据粉末的粒径大小利用振动筛分离回收,实现了粉末的循环利用;针对TiAl成形件残余应力大容易开裂变形的问题,开发了高温预热系统,有效降低了温度梯度,可扩充材料体系,实现塑性较差材料的SLM制备。(2)TiAl激光选区熔化成形特性研究。以TiAl单熔道成形为基础,进行工艺参数的优化,同时探讨主要工艺参数对成形特征的影响,并建立工艺参数-熔道成形特征之间的相关关系,再结合Al含量的损失研究多层堆积成形,以期获得理想的TiAl零件。实验结果表明TiAl在多层堆积过程中极易产生裂纹缺陷,仅仅优化激光功率,扫描速度,扫描间距等工艺参数很难实现无裂纹TiAl样件的成形。对裂纹的成形机理进行分析,发现残余内应力是裂纹产生的最重要原因。为了消除裂纹缺陷,利用基板预热,激光原位预烧结和重熔工艺降低温度梯度,改善残余内应力,取得了显著效果,实现了无缺陷薄层TiAl样件的制备,为叠层复合材料的设计及制备奠定了基础。(3)粗粉TC4激光选区熔化成形特性研究。使用63-106μm的大粒径TC4粉末,重点对200μm层厚进行实验研究,采用50μm和200μm两个不同大小的光斑直径进行了成形实验。研究表明小光斑成形时容易产生大熔深,引发材料蒸发留下气孔缺陷;而使用大光斑时成形效果和质量更好,致密度和拉伸性能有明显地提高。优化工艺后,获得了致密度为99.99%的成形件,拉伸试样的屈服强度大于1000MPa,拉伸强度大于1100MPa,最大延伸率可达8.5%。针对大层厚成形件精度差的问题,提出了采用重熔工艺和降低层厚的方法提高粗粉TC4成形件的精度;同时,成形件的力学性能也有了较大地提升,最大拉伸强度为1200MPa,屈服强度为1100MPa,延伸率为10.2%。但重熔工艺和小层厚成形一定程度上降低了成形效率。(4)TiAl/TC4微叠层复合材料激光选区熔化成形特性研究。探索了不同层厚和层厚比对微叠层试样的形貌、成分和性能的影响。结果表明,层厚比一定时,TiAl叠层厚度越小,成形件的裂纹缺陷越少;当TiAl层厚降至200μm时,优化微叠层复合材料的层厚比、TC4层厚等关键参数,实现了致密、无裂纹微叠层复合材料的制备。同时发现,TiAl/TC4层厚比越小,增韧相TC4所占的比例越大,叠层试样的室温强度和塑性越好,但叠层复合材料的密度也相应增大。当TiAl层厚为200μm,TC4层厚为400μm时,获得了较高性能的微叠层试样。
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