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        TC4合金支架的激光選區(qū)熔化工藝研究

        2021-10-29 08:14:00周冠男薛麗媛董文啟任慧嬌馬慧君
        金屬加工(熱加工) 2021年10期
        關(guān)鍵詞:試棒選區(qū)鈦合金

        周冠男,薛麗媛,董文啟,任慧嬌,馬慧君

        中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司 遼寧沈陽 110043

        1 序言

        TC4是一種中等強(qiáng)度的α-β型兩相鈦合金(含6%α穩(wěn)定元素Al和4%β穩(wěn)定元素V),具有優(yōu)異的綜合性能,可在400℃下長時間工作,被廣泛用于航空航天,尤其是航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域[1]。由于其具有良好的工藝塑性和超塑性,適用于各種壓力加工成形,因此現(xiàn)有航空發(fā)動機(jī)外部支架零件均采用TC4合金制備。為進(jìn)一步滿足新一代航空發(fā)動機(jī)減重提質(zhì)的需求,對于支架零件結(jié)構(gòu)設(shè)計,也向鏤空、拓?fù)涞葮O限輕量化方向開展,這對傳統(tǒng)制造技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。

        激光選區(qū)熔化成形技術(shù)(SLM)作為新型制造技術(shù),相較傳統(tǒng)鍛造、鑄造技術(shù),有著具備成形空間任意結(jié)構(gòu)、快速、高性能的優(yōu)勢[2-5],雖然國內(nèi)外對TC4合金激光選區(qū)熔化技術(shù)作了一定的研究,但都不系統(tǒng),僅具有一定的借鑒意義。本文通過選取典型結(jié)構(gòu)支架零件,開展激光選區(qū)熔化成形工藝研究,并對TC4合金激光選區(qū)熔化成形組織及性能進(jìn)行分析,驗證了支架零件采用激光選區(qū)熔化成形技術(shù)的可行性。

        2 試驗材料及方法

        2.1 試驗用原材料

        基于激光選區(qū)熔化成形工藝原理,試驗采用的原材料為超細(xì)TC4合金粉末(粒度組成為15~63μm),該粉末是利用電極感應(yīng)氣體霧化(EIGA)工藝獲取?;瘜W(xué)成分見表1,粉末顆粒形貌如圖1所示,粉末外觀呈銀灰色,未出現(xiàn)明顯氧化色的顆粒,球形度較好,視場內(nèi)未見空心粉,僅存在少量的衛(wèi)星粉。

        表1 TC4合金粉末和隨艙試棒化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

        圖1 TC4合金粉末掃描電鏡照片

        2.2 試驗用設(shè)備

        試驗設(shè)備采用鑫精合激光科技發(fā)展(北京)有限公司自主研制的TSC-X350C激光選區(qū)熔化成形設(shè)備,該設(shè)備是鑫精合公司第三代產(chǎn)品,經(jīng)改進(jìn)后設(shè)備相對穩(wěn)定,其實際成形尺寸為250mm×250mm×280mm(長×寬×高),設(shè)備激光采用IPG公司500W光纖激光器,掃描振鏡系統(tǒng)采用ScanLab公司的高精度三軸掃描振鏡,成形室采用雙缸體下送粉機(jī)構(gòu),設(shè)備外觀如圖2所示。

        圖2 激光選區(qū)熔化成形設(shè)備照片

        為保證項目研究順利開展,重新更換了新的濾芯,并將設(shè)備進(jìn)行了嚴(yán)格的清理,盡可能地保證了設(shè)備成形室和內(nèi)部管路的潔凈。考慮到鈦合金為活性金屬,該設(shè)備使用的惰性氣體為高純氬(氬氣純度≥99.999%,滿足GB/T 4842—2017《氬》的要求)。

        2.3 工藝方法

        (1)工藝參數(shù) 激光選區(qū)熔化成形工藝參數(shù)主要包括激光功率、鋪粉層厚、填充方式和掃描策略[6],經(jīng)參數(shù)優(yōu)化后,本試驗采用的具體工藝參數(shù)見表2。依據(jù)此工藝參數(shù)成形支架零件及隨艙試棒,其中隨艙試棒主要用于理化及力學(xué)性能分析。

        表2 TC4合金激光選區(qū)熔化成形工藝參數(shù)

        (2)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計 為減小成形應(yīng)力,保證成形質(zhì)量及精度,總結(jié)前期多次迭代試驗經(jīng)驗。本試驗中采用兩種支撐結(jié)構(gòu)混合添加的方式進(jìn)行,如圖3所示。其中,圖3中黃色部分為實體支撐、藍(lán)色部分為網(wǎng)格支撐。該支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計原理如下:實體支撐一般采用與主體零件相同的工藝參數(shù)制造,該結(jié)構(gòu)主要對零件的變形控制發(fā)揮主導(dǎo)作用,用于零件在激光選區(qū)熔化成形過程中整體的剛性支撐,需要后序采用線切割、砂輪切割等機(jī)械加工的方式去除;網(wǎng)格支撐一般采用較低的激光能量對粉末進(jìn)行燒結(jié),使粉末呈現(xiàn)半熔融狀態(tài),未達(dá)到完全的冶金結(jié)合,其在激光選區(qū)熔化成形后強(qiáng)度較低、脆性較大,易于后期去除(一般采用手工鉗修即可,去除難度較低)。網(wǎng)格支撐主要作用為承托零件實體上懸空部位,如在無支撐狀態(tài)下,粉末燒結(jié)過程中會出現(xiàn)塌陷、破碎等情況,導(dǎo)致激光選區(qū)熔化成形過程終止或失敗,同時該結(jié)構(gòu)有一定的控制變形的作用,對于抑制局部變形有顯著效果。

        圖3 支架零件模型支撐添加方案

        本試驗中為了進(jìn)一步減少激光選區(qū)熔化成形過程中應(yīng)力的累積,對實體支撐進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化,添加了鏤空、柵格等特殊結(jié)構(gòu),在保證實體支撐對零件有足夠的承托和抗變形能力的基礎(chǔ)上,實現(xiàn)實體支撐體積的最小化。該結(jié)構(gòu)不但可以顯著減少應(yīng)力,而且能在一定程度上縮短制造時間、節(jié)約成本。

        (3)熱處理 本試驗參考GJB 3763A—2004《鈦及鈦合金熱處理》推薦退火參數(shù)范圍(700~850℃保溫60~12min,空冷或更慢)內(nèi)選取兩種退火工藝進(jìn)行試驗驗證,分別為750℃退火和800℃退火,并采用真空爐進(jìn)行熱處理,具體熱處理工藝如下。

        1)750℃退火工藝:以10℃/min升溫至750℃,保溫135min,保溫結(jié)束后隨爐冷至500℃充氬氣0.2MPa,再冷至80℃以下出爐。

        2)800℃退火工藝:以10℃/min升溫至800℃,保溫135min,保溫結(jié)束后隨爐冷至500℃充氬氣0.2MPa,再冷至80℃以下出爐。

        很長一段日子里,我們沒有在一起玩。轉(zhuǎn)眼到了秋季,在一個秋風(fēng)瑟瑟的夜晚,你打電話約我到老地方見面。當(dāng)我來到時,見你靠在一棵梧桐樹下,雙眼垂著淚水,仿佛心里有千言萬語要對我說。我走到你身邊時,你抱著我親了下我的額頭,苦笑著對我說:“我要回老家了!我知道你的愛情故事很感人,可惜我不是她,無法與你共度一生!”說完轉(zhuǎn)身三步一回頭地離我而去。

        2.4 理化性能及力學(xué)性能檢測

        檢測試棒的取樣規(guī)則如圖4所示,由圖中可以看出,激光選區(qū)熔化成形制件生長方向為縱向(Z向),垂直于生長方向為橫向(X、Y向),本試驗中僅對橫向和縱向兩個成形方向的性能作對比分析。

        圖4 力學(xué)性能試樣取樣方向

        利用萬能拉伸試驗機(jī)對試樣進(jìn)行室溫拉伸性能、高溫拉伸性能和高溫持久性能測試;利用化學(xué)成分檢測儀進(jìn)行化學(xué)成分測試;利用金相顯微鏡對腐蝕后的金相試塊進(jìn)行高倍和低倍觀察,金相腐蝕劑采用凱勒試劑,其體積配比為VHF:VHNO3:VH2O=1 : 2 : 7。

        按GB/T 4698《海綿鈦、鈦及鈦合金化學(xué)分析方法》(所有部分)規(guī)定,對TC4合金原材料粉末和激光選區(qū)熔化成形件隨艙試棒進(jìn)行化學(xué)成分測定;按GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》對隨艙制造的金相試塊進(jìn)行高低倍檢查;按GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗 第1部分:室溫試驗方法》對隨艙制造的力學(xué)性能試棒進(jìn)行室溫拉伸測試;按GB/T 228.2—2015《金屬材料拉伸試驗 第2部分:高溫試驗方法》對隨艙制造的力學(xué)性能試棒進(jìn)行400℃拉伸測試;按GB/T 2039—2012《金屬拉伸蠕變及持久試驗方法》對隨艙制造的力學(xué)性能試棒分別進(jìn)行350℃和400℃持久測試。

        3 試驗結(jié)果與分析

        3.1 成形質(zhì)量

        激光選區(qū)熔化成形后的支架零件以及隨艙試棒實物外觀形貌如圖5所示,由圖5可以看出,零件及隨艙試棒成形質(zhì)量良好,目視檢查后,無可見的裂紋、孔洞、穿透性缺陷及殘留粉末,支撐結(jié)構(gòu)未見裂紋、破裂等問題。

        圖5 支架零件激光選區(qū)熔化成形后實物照片

        3.2 化學(xué)成分分析

        通過對TC4合金原材料粉末和激光選區(qū)熔化成形件隨艙試棒進(jìn)行化學(xué)成分測定,其結(jié)果見表1。由表1可以看出,Al、V、Fe等主要合金元素含量微量降低,O、N、H等雜質(zhì)元素含量微量升高。

        經(jīng)分析認(rèn)為,激光選區(qū)熔化工藝過程是由激光作為熱源對金屬粉末進(jìn)行燒結(jié),當(dāng)高能激光燒結(jié)金屬粉末時,部分熔點(diǎn)低的元素瞬時氣化,產(chǎn)生了一定的揮發(fā),導(dǎo)致Al、V、Fe元素在合金成分中出現(xiàn)含量降低的情況;同時,粉末中的空心粉及微小的粉末間隙存在包裹空氣的可能,雖然粉末置于設(shè)備中處于氬氣保護(hù)氣氛下,但不能100%規(guī)避O2、N2、H2等氣體的影響,同時原材料粉末中也包含一定成分比例的O、N、H等雜質(zhì)元素,且鈦合金作為活性金屬,極易與O2、N2、H2等氣體發(fā)生反應(yīng),在激光作用的激烈熔池反應(yīng)過程中吸收O、N、H等雜質(zhì)元素,最終導(dǎo)致了O、N、H等雜質(zhì)元素含量升高的情況。

        3.3 顯微組織分析

        通過對隨艙制造的金相試塊進(jìn)行高低倍檢查,其金相照片如圖6所示。由圖6可以看出,兩塊金相試塊分別為750℃熱處理試塊和800℃熱處理試塊,其中750℃熱處理試塊有2處孔洞缺陷,未見裂紋、未熔合等線性缺陷;800℃熱處理試樣未見孔洞、裂紋、未熔合等線性缺陷。通過對750℃熱處理試塊中孔洞缺陷進(jìn)行尺寸測量,其圓形缺陷尺寸直徑約為0.1mm,長形缺陷沿長方向長度值約為0.4mm,其成形件致密度必然不能達(dá)到100%,存在一定氣孔缺陷屬于正常情況。

        圖6 金相試塊照片

        TC4屬于α+β型T鈦合金,其性能與組織結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。密排六方結(jié)構(gòu)的α相和體心立方結(jié)構(gòu)的β相構(gòu)成了TC4合金的基本相,兩相的比例、形狀和尺寸直接決定著TC4合金的力學(xué)性能。TC4合金沉積態(tài)微觀組織形貌主要取決于成形工藝過程中的冷卻速率,冷卻速率越高,組織越細(xì)化,其一般是由分布均勻的針狀α′馬氏體和少量β相組成,隨著對其進(jìn)行退火熱處理,其微觀組織逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)棣粒禄旌辖M織,其微觀形貌呈現(xiàn)不同取向相互交叉的α板條與板條間β相組成,但尚未形成清晰的交錯編織排列的網(wǎng)籃狀組織,這是由于退火溫度低于β相轉(zhuǎn)變溫度和再結(jié)晶溫度,在退火過程中β→α相擴(kuò)散轉(zhuǎn)變較慢,當(dāng)退火時間較短時,整體組織變化不會太大,僅是針狀α相的體積分?jǐn)?shù)有所增加,α相板條馬氏體發(fā)生一定的粗化[7]。

        3.4 力學(xué)性能分析

        (1)室溫拉伸 通過對隨艙制造的力學(xué)性能試棒進(jìn)行室溫拉伸測試,其結(jié)果如圖7、圖8所示。與GJB 2744A—2007《航空用鈦及鈦合金鍛件規(guī)范》中TC4鈦合金鍛件標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定值相比可以看出,無論在750℃退火工藝下的試棒性能,還是800℃退火工藝的試棒性能,均高于材料標(biāo)準(zhǔn)的下限值,且伸長率和斷面收縮率均遠(yuǎn)高于材料標(biāo)準(zhǔn)。

        圖7 室溫抗拉強(qiáng)度對比

        圖8 室溫伸長率對比

        從兩種退火工藝下試棒性能結(jié)果相比可以看出,成形方向無論縱向還是橫向,其結(jié)果差異不大,750℃退火工藝下的試棒抗拉強(qiáng)度有所提高,而伸長率稍有下降。經(jīng)分析認(rèn)為,激光選區(qū)熔化沉積態(tài)組織中針狀α′馬氏體在加熱時會發(fā)生分解,其亞穩(wěn)態(tài)α′組織通過形核和長大過程分解,轉(zhuǎn)變?yōu)榇只模é粒拢┫?,隨著退火溫度的升高,其粗化的(α+β)相逐漸增多,對塑性的損傷作用減弱;同時,Al和O等強(qiáng)化元素富集在α相中,β轉(zhuǎn)變相的強(qiáng)度會低于α相的強(qiáng)度,隨著熱處理溫度升高,β相的含量逐漸增多,因此最終試件的強(qiáng)度降低而塑性顯著提高[8]。

        (2)高溫拉伸 通過對隨艙制造的力學(xué)性能試棒進(jìn)行400℃拉伸測試,其結(jié)果如圖9、圖10所示。與GJB 2744A—2007《航空用鈦及鈦合金鍛件規(guī)范》中TC4鈦合金鍛件標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定值相比可以看出,無論在750℃退火工藝下的試棒性能,還是800℃退火工藝的試棒性能,均高于材料標(biāo)準(zhǔn)的下限值,且伸長率和斷面收縮率均高于材料標(biāo)準(zhǔn);從兩種熱處理工藝下試棒性能結(jié)果相比可以看出,成形方向無論縱向還是橫向,其結(jié)果基本相當(dāng),未見明細(xì)差異,僅其縱向試棒的屈服強(qiáng)度相比橫向試棒有所降低。

        圖9 高溫抗拉強(qiáng)度對比

        圖10 高溫伸長率對比

        (3)高溫持久性能 通過對隨艙制造的力學(xué)性能試棒分別進(jìn)行350℃和400℃持久性能測試,其結(jié)果見表3。試驗初期采用350℃、490MPa的條件進(jìn)行測試,從測試結(jié)果可以看出,試棒在100h后未發(fā)生斷裂,能夠達(dá)到要求。隨后,決定按GJB 2744A—2007《航空用鈦及鈦合金鍛件規(guī)范》規(guī)定測試條件(400℃、570MPa)進(jìn)行試驗。從試驗結(jié)果可以看出,750℃熱處理的試棒其測試100h后未發(fā)生斷裂,能夠達(dá)到GJB 2744A—2007《航空用鈦及鈦合金鍛件規(guī)范》中TC4鈦合金鍛件標(biāo)準(zhǔn)要求。

        表3 高溫持久力學(xué)性能對比

        4 結(jié)束語

        1)采用激光選區(qū)熔化工藝能夠?qū)崿F(xiàn)航空發(fā)動機(jī)TC4合金支架零件的直接成形,成形效果良好。

        2)采用“實體支撐+網(wǎng)格支撐”兩種支撐結(jié)構(gòu)混合添加的方式,能夠有效地減少成形過程中的應(yīng)力,達(dá)到控制變形的目的。

        3)TC4合金激光選區(qū)熔化成形過程中,由于元素?zé)龘p會導(dǎo)致Al、V、Fe等主要合金元素含量微量降低,另外加上粉末中的空心粉及微小的粉末間隙存在包裹空氣的現(xiàn)象,因此會導(dǎo)致O、N、H等雜質(zhì)元素含量微量升高的情況。

        4)TC4合金激光選區(qū)熔化成形試棒的室溫拉伸、高溫拉伸和持久性能,均能達(dá)到鍛件材料標(biāo)準(zhǔn)下限值的要求,能夠滿足零件的性能需要。

        5)TC4合金激光選區(qū)熔化成形后,在750℃和800℃退火工藝下試棒的室溫拉伸、高溫拉伸和持久性能并無顯著差異,750℃退火工藝在室溫拉伸性能試驗中,抗拉強(qiáng)度較高,而塑性略低。

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