tc4表面激光熔覆沉积ti40阻燃钛合金组织及力学性能

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1、分类号:TN24910710-2015131042硕士学位论文TC4表面激光熔覆沉积Ti40阻燃钛合金组织及力学性能张哲辉导师姓名职称张凤英副教授申请学位类别工学硕士学科专业名称材料加工工程论文提交日期2018年5月1日论文答辩日期2018年5月23日学位授予单位长安大学StudyonMicrostructureandMechanicalPropertiesofLaserCladdingDepositionofTi40Burn-ResistantTitaniumalloyonTC4AThesisSubmittedfortheDegreeofMasterCandid

2、ate：ZhangZhehuiSupervisor:A.Prof.ZhangFengyingChang’anUniversity,Xi’an,China摘要钛及钛合金因具有比强度高、耐高温、耐腐蚀等一系列优良特性，在航空航天领域被广泛使用。然而，常规钛合金作为航空结构件在苛刻使用环境中易发生“钛火”故障，钛合金的阻燃问题已成为航空工业中一项亟待解决的关键问题。为降低“钛火”对航空结构件的影响，提高飞机运行的安全性，研制整体阻燃钛合金是一条可行的技术途径。目前，研究最成熟的阻燃钛合金为Ti-V-Cr系阻燃钛合金，然而，由于Ti-V-Cr系阻燃钛合金中成本昂贵、高比重

3、的V元素含量高，不仅大幅度提高了阻燃钛合金的制备成本，同时又导致阻燃钛合金整体的比强度降低，锻造时的变形抗力过大，加工困难。因此，迫切需要寻求低成本的阻燃钛合金制备及加工技术。基于此，本文采用激光熔覆沉积技术，在锻件TC4基体表面熔覆沉积Ti40阻燃钛合金，目的在于保持锻件TC4良好综合性能的前提下，提高常规钛合金表面抗燃烧性能。首先，研究了激光熔覆沉积工艺参数对锻件TC4基体表面单道单层沉积Ti40阻燃合金各区域几何尺寸和硬度分布的影响规律；其次，针对锻件TC4基体表面多层沉积Ti40阻燃合金，研究了从基体至Ti40沉积区各区域组织特征及硬度分布；最后，表征了激

4、光熔覆沉积试样垂直和平行于熔覆界面方向的室温拉伸性能，并基于两种拉伸方向上的试样断口形貌分析，揭示其断裂机理。论文取得的主要研究结论如下：1.采用半导体激光熔覆沉积技术，在锻件TC4基体表面熔覆沉积单道单层Ti40阻燃钛合金，研究沉积工艺参数对沉积试样冶金质量的影响。结果表明，在激光功率为1800~2700W，扫描速度为10~20mm/s，送粉率8~17g/min范围内，单道单层沉积试样冶金质量良好，未出现气孔、裂纹、未熔粉等冶金缺陷。单道单层沉积试样从熔覆层顶部至基体可分为熔覆层、重熔区、热影响区和基体区。2.研究了沉积工艺参数（激光功率、扫描速度和送粉率）对单

5、道单层沉积试样各区域几何尺寸、成分分布及显微硬度的影响规律。研究表明：随着激光功率的提高以及扫描速度的降低，熔覆层、重熔区以及热影响区尺寸均有所增加；随着送粉率的提高，熔覆层尺寸有所增加，而重熔区、热影响区尺寸均先增大后减小。熔覆层、重熔区、热影响区和基体的显微硬度和成分分析结果表明：各工艺条件下，热影响区硬度均显著高于基体区、重熔区以及熔覆层；激光功率在1800~2700W范围内，扫描速度为10mm/s，送粉率为11g/min以及激光功率为2400W，扫描速度为10mm/s，送粉率在8~17g/min范围内，均获得了成分、硬度分布均匀的重熔区和熔覆层，表明在以上

6、工艺条件下，熔I池内对流充分，基材与熔覆层Ti40材料充分混合以及合金化。3.采用半导体激光熔覆沉积技术，选取P=1800W，V=10mm/s，M=11g/min在锻件TC4基体表面多层沉积Ti40阻燃钛合金，研究沉积试样各区域组织形成规律。研究表明：沉积试样按照成分及组织形态从基体至沉积层顶部可分为基体区、热影响区、过渡区和Ti40沉积区。TC4基体及热影响区均为α+β双相组成；过渡区及Ti40沉积层均由单相β组成，过渡区主要由相对粗大外延生长柱状晶组成，Ti40沉积区中、下部由相对细小柱状晶和少量等轴晶组成，顶部由细小等轴晶组成；沉积层与基体的结合方式为良好的

7、冶金结合，沉积层内部无冶金缺陷。4.研究了锻件TC4基体表面沉积Ti40阻燃钛合金沿平行于熔合线和垂直于熔合线方向的室温拉伸性能，并分析了沉积试样的断口形貌。结果表明：沿垂直于熔合线方向室温拉伸时，断裂发生在过渡区并扩展至Ti40沉积区，其室温拉伸强度约为980.17MPa，延伸率约为9%；沿平行于熔合线方向室温拉伸时，断裂发生在熔覆界面区域并向过渡区扩展，拉伸强度约为950.11MPa，略低于垂直于熔合线，延伸率约为9.8%。断口形貌分析表明：垂直和平行于熔合线方向的断裂形式均为韧性断裂和沿晶断裂同时存在的混合断裂。室温拉伸性能测试结果表明，两个方向的室温拉伸性

8、能均较好。