水下激光增材制造钛合金疲劳性能研究文献综述

 2023-08-03 10:42:27

文献综述(或调研报告):

1、钛合金材料综述

钛是一种新型金属,其性能参数与所含C、N、H、O以及其他金属元素杂质有关,塑性高。Ti-6Al-4V钛合金占钛合金总产量的一半以上,是当前应用非常广泛的一种钛合金[1]。Ti-6Al-4V钛合金是一种双相合金,也是第一种高温钛合金,分富Al的六方晶格结构的alpha;相和富V的体心立方晶格结构的beta;相,具有密度小、韧性、塑性和抗腐蚀性能高、比强度高、机械性能好等特点[2-3],具有良好的综合性能。因为力学性能出色,可以制备比强度大、质轻的的零、部件,钛合金被广泛应用与航天、船舶工业等,又由于钛合金在众多的介质中有较高的耐腐蚀性能,着重表现在中性和氧化性环境下的耐蚀特性,也被广泛地应用于化工装备行业,有着极大的潜力。但是由于钛合金在加工时工艺性能表现不佳,在热加工中容易吸收各种杂质,如H、O、C、N等,以及表现出的切削性能不好,在加工时切削温度高且容易吸收空气中的H、O元素产生硬化的外皮,所以相较于传统金属更难以加工;加上钛合金件往往有着制造数量小、性能要求高等特点,故对其制造技术有着较高的要求。

2、激光增材钛合金与水下增材制造现状及发展趋势

增材制造区别于减法制造,核心在于依据预先设计的工件三维模型,将其进行离散与分割,由点到面逐层熔覆逐层叠加,最终生产出工件。以实验中使用到的送粉式为例,在这个生产过程中,送粉的同时高能激光束向熔池中输入能量,使金属粉末熔融,随着扫描的进行,熔融的粉末凝固而堆叠成工件,这是在宏观层面上我们观察到的。、

在微观层面,熔池在形成与凝固时,产生的组织微观组织会受到冷却速度、熔池深度、以及熔池的最高温度等因素影响,而产生不同的结构,亦或是产生气孔或析出物等缺陷,体现在性能上就是使得材料的硬度、冲击韧性、延展性以及屈服强度等参数发生改变。在激光增材制造这个过程中,我们将对材料性能起到决定性作用的一系列参数统称为工艺参数,包括激光功率、扫描速度、离焦量、送粉速度等,水下的工艺参数还有排水气流量等,这些工艺参数综合影响了工件的质量和微观组织形态。

在应用于钛合金生产制造时,能够实现高性能且结构复杂、加工时难度高的零、部件的快速、无模具、全致密近净成形,具有柔性化制造的特点[4]。钛合金由于其锻造温度区间窄、变形抗力大、高温易吸氧吸氢等特点, 使得在钛合金结构件生产时存在诸多困难。增材制造技术的发展大大缩短了钛合金的生产周期, 增加了材料利用率[5]。其工艺特性与传统制造方式的不同也决定了其组织的不同。因此,探索激光增材制造中更好的工艺参数十分重要,这决定了零件的力学性能。随着海洋装备和工程在数量、体量和复杂性上日益提升,更多的海洋工程结构需要在水下进行建造以及组装。作为新兴的水下工程结构的制造工艺,水下增材制造拥有广泛的前景。此外,由于恶劣的海洋环境,水下结构容易失效,更需要水下增材制造来进行原位修补与维护。

3、国内外对钛合金激光增材制造以及水下增材制造的工艺研究。

王亚辉等人[6]针对增材制造和锻造复合成形的Ti-6Al-4V钛合金件,采用单向拉伸等实验对复合成形件性能进行测试,采用金相显微镜、电子显微镜等表征手段,对其微观组织以及拉伸断口进行显微观察,探究复合成形Ti-6Al-4V钛合金件微观组织演变规律以及微观 组织和力学性能之间的关系,为利用增材制造和锻造复合成形技术进行Ti-6Al-4V钛合金装备制造提供参考。

刘小军等人[5]对电弧增材制造钛合金的拉伸性能和疲劳性能进行了综述, 总结了拉伸性能和疲劳性能的特点及断裂的原因,并且对航空航天用钛合金电弧增材制造的组织及力学性能的关系进行了分析。

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