TC4鈦合金圓鋼

TC4鈦合金簡(jiǎn)介  鈦是 20 世紀(jì) 50 時(shí)代發(fā)展起來(lái)的一種重要金屬，鈦合金歸于重要的結(jié)構(gòu)金屬，鈦及  鈦合金密度為 4.51g/cm3 ，作為重要的結(jié)構(gòu)金屬資料，有著優(yōu)異的力學(xué)和物理功能，如：熔點(diǎn)較高，熱導(dǎo)率和線(xiàn)膨脹系數(shù)低、比強(qiáng)度高、彈性模量低、耐蝕性好、屈強(qiáng)比高、可焊接、生物相容性好，其重要性現(xiàn)已被世界上許多的國(guó)家知道，陸續(xù)對(duì)其進(jìn)行開(kāi)發(fā)研討，廣泛適用于航空航天、化工、船只、轎車(chē)、石油、電力等多個(gè)行業(yè)。鈦及鈦合金一直是航空航天工業(yè)的“脊柱”之一，鈦合金主要用于飛機(jī)機(jī)身的殼體、蒙皮和起落架部件等，一起在發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片、高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子、軸類(lèi)等中也得到使用，且使用量不斷添加，說(shuō)明鈦合金在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中具有重要的效果和戰(zhàn)略地位。

1.1.2 鈦合金的分類(lèi)

鈦有 α-Ti 和 β-Ti 兩種同素異構(gòu)體，其 β 改變溫度為 882.5℃，α-Ti 為密排六方結(jié)構(gòu)，在 882.5℃以下安穩(wěn)存在，在 882.5℃以上為 β-Ti 具有體心立方結(jié)構(gòu)。鈦合金按合金的相安排和 β 安穩(wěn)元素含量可以分為三類(lèi)：α 型鈦合金、α+β 型鈦合金、β 型鈦合金。

（1）α 型鈦合金。經(jīng)過(guò)退火處理后合金安排為單質(zhì) α 安排的鈦合金稱(chēng)為 α 型鈦合金。α 安穩(wěn)元素和錫、鋁、鋯等中性元素為 α 型鈦合金的合金主要元素，β 安穩(wěn)元素的含量微乎其微。其 β 相的改變溫度較高，安排安穩(wěn)，耐熱性較好，焊接功能優(yōu)異，可是強(qiáng)度很低，且經(jīng)過(guò)熱處理不可以來(lái)改進(jìn)資料功能。

（2）α+β 型鈦合金。退火空冷后顯微安排為 α+β 稱(chēng)為 α+β 型鈦合金。該合金的綜合功能較好，熱加工工藝性好，可以經(jīng)過(guò)熱處理對(duì)其強(qiáng)化，與 α 型鈦合金相比強(qiáng)度較高，可是安排不夠安穩(wěn)。

（3）β 型鈦合金。當(dāng) β 安穩(wěn)元素含量到達(dá) 17%時(shí)該合金被稱(chēng)為亞安穩(wěn) β 合金，當(dāng)含量持續(xù)添加到達(dá) 30%時(shí)被稱(chēng)為安穩(wěn) β 型鈦合金。β 型鈦合金的室溫強(qiáng)度比較高，是發(fā)展高強(qiáng)度鈦合金潛力大的合金，但其在高溫狀態(tài)下安排不安穩(wěn)，只能在 300℃以下工作，焊接功能也比較差，這大大限制了該合金的使用。

1.1.3 鈦合金的熱處理

熱處理是一種經(jīng)過(guò)將試樣經(jīng)過(guò)加熱、保溫、冷卻后改變?cè)嚇觾?nèi)部顯微安排和功能的加熱工藝。鈦合金的力學(xué)功能與鈦合金顯微安排中各相的描摹尺度、百分含量、擺放情況有關(guān)。選用不同的熱處理工藝會(huì)對(duì)鈦合金試樣內(nèi)部的顯微安排發(fā)生影響使其發(fā)生差異，從而進(jìn)一步影響鈦合金試樣的力學(xué)功能。退火和固溶時(shí)效是鈦合金熱 處理工藝使用較為廣泛的兩種，其間退火工藝包括去應(yīng)力退火、退火和兩層退火等。

TC4鈦合金棒去應(yīng)力退火又被稱(chēng)作不退火，其意圖是經(jīng)過(guò)退火處理削減在堆積成形進(jìn)程中試樣內(nèi)部發(fā)生的內(nèi)應(yīng)力避免試樣呈現(xiàn)變形和開(kāi)裂，退火溫度通常在 450~650℃之間；退火也叫做再結(jié)晶退火，經(jīng)過(guò)退火后鈦合金除了可以發(fā)生再結(jié)晶進(jìn)程，還可以使顯微組織中各相的組成、含量和描摹發(fā)生變化，退火溫度通常在（α+β）/β 相變點(diǎn)以下 120~200℃之間；兩層退火意圖為改進(jìn) α+β 鈦合金的安排安穩(wěn)性、塑性及斷裂韌性，兩層退火分為兩次加熱、保溫和空冷進(jìn)程，加熱溫度通常在（α+β）/β 相變點(diǎn)以下 20~160℃之間，而第2次加熱溫度通常在（α+β）/β 相變點(diǎn)以下 300~450℃之間。

1.2 電弧增材制作技能

1.2.1 金屬增材制作技能原理及概況

增材制作的原理為依據(jù)在三維軟件上取得的 CAD 數(shù)據(jù)模型進(jìn)行切片處理，將三維模型轉(zhuǎn)換成二維截面，經(jīng)過(guò)熱源對(duì)二維截面進(jìn)行逐層掃描，使用逐層累積的辦法成形出實(shí)體零件。與傳統(tǒng)的減材技能相比，增材制作技能歸于一種“自下而上”的制作辦法，它涉及 CAD 技能、分層制作技能、數(shù)控技能、逆向工程技能、資料學(xué)、激光、焊接等方面。相對(duì)于傳統(tǒng)的制作技能，增材制作技能具有柔性高、無(wú)模具、周期短、不受零件結(jié)構(gòu)和資料限制等一系列長(zhǎng)處，在航天航空、轎車(chē)、電子、醫(yī)療、等范疇得到了廣泛使用。

在 20 世紀(jì) 90 時(shí)代中期，對(duì)激光近凈成形制作技能(Laser engineered net shaping，LENS)進(jìn)行了研討，經(jīng)過(guò)選用固體激光器和同步送粉體系，對(duì)金屬零件進(jìn)行的堆積制作和修正；使用電子束制作技能(Electric beam melting，EBM)開(kāi)宣布利用金屬粉末可直接制作出細(xì)密零件的自在成形技能；國(guó)內(nèi)發(fā)展出激光立體成形技能(Laser solid forming，LSF)，經(jīng)過(guò)進(jìn)行很多的工藝成形試驗(yàn)對(duì)鈦合金、不銹鋼和高溫合金等不同資料的工藝特性、顯微安排、力學(xué)功能進(jìn)行了研討，可以制備出形狀較為雜亂的金屬零件，成形零件外表平坦而且內(nèi)部沒(méi)有缺陷；

1.2.3 國(guó)內(nèi)外電弧增材制作技能研討現(xiàn)狀

電弧增材直接制備金屬件的思維早起源于 1983 年，使用埋弧焊辦法制作了大型圓柱厚壁容器，發(fā)現(xiàn)試樣具有良好的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和韌性。上世紀(jì) 80 時(shí)代末，隨同增材制作技能的呈現(xiàn)，科研人員開(kāi)始將焊接與增材思維聯(lián)系到一起發(fā)生了電弧增材制作技能并敏捷成為研討熱點(diǎn)。

采用 GMAW 三維焊接成型(3D Welding) 辦法，經(jīng)過(guò)六軸工業(yè)機(jī)器人和 GMAW 工藝成形出金屬零件，使用溫度操控設(shè)備檢測(cè)零件外表溫度進(jìn)而操控焊接熱輸入，減小零件外表的粗糙度，并剖析了成形件的安排和剩余應(yīng)力。使用 TIG 制備了4043 鋁合金單道多層試樣，研討了焊接電流、送絲速度、焊接速度、電弧長(zhǎng)度對(duì) 4043鋁合金成形的影響，發(fā)現(xiàn)熱輸入會(huì)對(duì)安排發(fā)生較大的影響。

TC4鈦合金圓鋼使用鎢極氬弧焊和 CMT 辦法對(duì) TC4 鈦合金的堆焊成型工藝進(jìn)行了研討，發(fā)現(xiàn)與 CMT 辦法相比，脈沖鎢極氬弧焊可以顯著細(xì)化晶粒。經(jīng)過(guò)激光堆積制作技能和電弧增材制作技能對(duì)比研討了兩種增材試樣的安排和剩余應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)在電弧增材試樣內(nèi)部安排的晶粒愈加粗化而且熱影響區(qū)的范圍較大，β 柱狀晶的生長(zhǎng)方向歪斜，電弧增材試樣內(nèi)部的剩余應(yīng)力值較大。使用有限元剖析辦法對(duì)電弧增材制作技能制備的試樣進(jìn)行模仿，建立的有限元模型可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)電弧增材進(jìn)程中的加熱和冷卻循環(huán)，所得到的模仿成果與在試驗(yàn)進(jìn)程中測(cè)量的成果一致。

整體保護(hù)使用 TIG 制備了 TC4 鈦合金單道多層試樣，研討了TC4 鈦合金成型工藝和力學(xué)功能，發(fā)現(xiàn)試樣上部為針狀魏氏安排，下部為粗大片層狀魏氏安排，且試樣的力學(xué)功能存在各向異性。選用局部保護(hù)使用 TIG 制備了 TC4 鈦合金單道多層試樣，研討了 TC4 鈦合金力學(xué)功能，發(fā)現(xiàn)試樣微觀安排為 β 柱狀晶粒。

試樣上部為針狀的魏氏安排，下部為粗大的魏氏安排，試樣的力學(xué)功能具有各向異性。使用送絲式激光增材制作技能和電弧增材制作技能分別制備了 TC4 鈦合金單道多層試樣，研討了 TC4 鈦合金零件不同安排和力學(xué)功能，發(fā)現(xiàn)試樣的力學(xué)功能均具有各向異性，激光增材制作具有較高的強(qiáng)度和較低的塑性。

激光選區(qū)熔化技能和電弧增材制作技能復(fù)合制作辦法制備了 TC4鈦合金多道多層試樣，研討了 TC4 鈦合金安排和力學(xué)功能，發(fā)現(xiàn)試樣構(gòu)成細(xì)密冶金結(jié)合，試樣斷裂在 WAAM 區(qū)域，SLM 試件的力學(xué)功能略微高于 WAAM 的力學(xué)功能，而SLM-WAAM 試件中堆積方向的力學(xué)功能高于焊接方向的力學(xué)功能。

利用 TIG 制備了 TC4 鈦合金單道多層試樣，研討了不同堆積效率對(duì) TC4 鈦合金功能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)堆積效率較低時(shí)，試樣的 β 柱狀晶尺度較大，力學(xué)功能較低。將電弧增材制作技能與軋制相結(jié)合，在試樣每一層上用滾輪進(jìn)行軋制，發(fā)現(xiàn)軋制后能使試樣的晶粒細(xì)化，消除試樣的各向異性和剩余應(yīng)力，削減試件變形。使用 TIG 制備了單道多層試樣，研討了微量硼對(duì)電弧增材制作 TC4 功能的影響，發(fā)現(xiàn)添加微量硼能使 β 柱狀晶愈加細(xì)長(zhǎng)，消除力學(xué)功能的各向異性，進(jìn)步試樣的塑性。