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TC4钛合金圆钢

TC4钛合金简介  钛是 20 世纪 50 时代发展起来的一种重要金属，钛合金归于重要的结构金属，钛及  钛合金密度为 4.51g/cm3 ，作为重要的结构金属资料，有着优异的力学和物理功能，如：熔点较高，热导率和线膨胀系数低、比强度高、弹性模量低、耐蚀性好、屈强比高、可焊接、生物相容性好，其重要性现已被世界上许多的国家知道，陆续对其进行开发研讨，广泛适用于航空航天、化工、船只、轿车、石油、电力等多个行业。钛及钛合金一直是航空航天工业的“脊柱”之一，钛合金主要用于飞机机身的壳体、蒙皮和起落架部件等，一起在发动机的叶片、高压压气机转子、轴类等中也得到使用，且使用量不断添加，说明钛合金在飞机结构中具有重要的效果和战略地位。

1.1.2 钛合金的分类

钛有 α-Ti 和 β-Ti 两种同素异构体，其 β 改变温度为 882.5℃，α-Ti 为密排六方结构，在 882.5℃以下安稳存在，在 882.5℃以上为 β-Ti 具有体心立方结构。钛合金按合金的相安排和 β 安稳元素含量可以分为三类：α 型钛合金、α+β 型钛合金、β 型钛合金。

（1）α 型钛合金。经过退火处理后合金安排为单质 α 安排的钛合金称为 α 型钛合金。α 安稳元素和锡、铝、锆等中性元素为 α 型钛合金的合金主要元素，β 安稳元素的含量微乎其微。其 β 相的改变温度较高，安排安稳，耐热性较好，焊接功能优异，可是强度很低，且经过热处理不可以来改进资料功能。

（2）α+β 型钛合金。退火空冷后显微安排为 α+β 称为 α+β 型钛合金。该合金的综合功能较好，热加工工艺性好，可以经过热处理对其强化，与 α 型钛合金相比强度较高，可是安排不够安稳。

（3）β 型钛合金。当 β 安稳元素含量到达 17%时该合金被称为亚安稳 β 合金，当含量持续添加到达 30%时被称为安稳 β 型钛合金。β 型钛合金的室温强度比较高，是发展高强度钛合金潜力大的合金，但其在高温状态下安排不安稳，只能在 300℃以下工作，焊接功能也比较差，这大大限制了该合金的使用。

1.1.3 钛合金的热处理

热处理是一种经过将试样经过加热、保温、冷却后改变试样内部显微安排和功能的加热工艺。钛合金的力学功能与钛合金显微安排中各相的描摹尺度、百分含量、摆放情况有关。选用不同的热处理工艺会对钛合金试样内部的显微安排发生影响使其发生差异，从而进一步影响钛合金试样的力学功能。退火和固溶时效是钛合金热 处理工艺使用较为广泛的两种，其间退火工艺包括去应力退火、退火和两层退火等。

TC4钛合金棒去应力退火又被称作不退火，其意图是经过退火处理削减在堆积成形进程中试样内部发生的内应力避免试样呈现变形和开裂，退火温度通常在 450~650℃之间；退火也叫做再结晶退火，经过退火后钛合金除了可以发生再结晶进程，还可以使显微组织中各相的组成、含量和描摹发生变化，退火温度通常在（α+β）/β 相变点以下 120~200℃之间；两层退火意图为改进 α+β 钛合金的安排安稳性、塑性及断裂韧性，两层退火分为两次加热、保温和空冷进程，加热温度通常在（α+β）/β 相变点以下 20~160℃之间，而第2次加热温度通常在（α+β）/β 相变点以下 300~450℃之间。

1.2 电弧增材制作技能

1.2.1 金属增材制作技能原理及概况

增材制作的原理为依据在三维软件上取得的 CAD 数据模型进行切片处理，将三维模型转换成二维截面，经过热源对二维截面进行逐层扫描，使用逐层累积的办法成形出实体零件。与传统的减材技能相比，增材制作技能归于一种“自下而上”的制作办法，它涉及 CAD 技能、分层制作技能、数控技能、逆向工程技能、资料学、激光、焊接等方面。相对于传统的制作技能，增材制作技能具有柔性高、无模具、周期短、不受零件结构和资料限制等一系列长处，在航天航空、轿车、电子、医疗、等范畴得到了广泛使用。

在 20 世纪 90 时代中期，对激光近净成形制作技能(Laser engineered net shaping，LENS)进行了研讨，经过选用固体激光器和同步送粉体系，对金属零件进行的堆积制作和修正；使用电子束制作技能(Electric beam melting，EBM)开宣布利用金属粉末可直接制作出细密零件的自在成形技能；国内发展出激光立体成形技能(Laser solid forming，LSF)，经过进行很多的工艺成形试验对钛合金、不锈钢和高温合金等不同资料的工艺特性、显微安排、力学功能进行了研讨，可以制备出形状较为杂乱的金属零件，成形零件外表平坦而且内部没有缺陷；

1.2.3 国内外电弧增材制作技能研讨现状

电弧增材直接制备金属件的思维早起源于 1983 年，使用埋弧焊办法制作了大型圆柱厚壁容器，发现试样具有良好的抗拉强度、屈服强度和韧性。上世纪 80 时代末，随同增材制作技能的呈现，科研人员开始将焊接与增材思维联系到一起发生了电弧增材制作技能并敏捷成为研讨热点。

采用 GMAW 三维焊接成型(3D Welding) 办法，经过六轴工业机器人和 GMAW 工艺成形出金属零件，使用温度操控设备检测零件外表温度进而操控焊接热输入，减小零件外表的粗糙度，并剖析了成形件的安排和剩余应力。使用 TIG 制备了4043 铝合金单道多层试样，研讨了焊接电流、送丝速度、焊接速度、电弧长度对 4043铝合金成形的影响，发现热输入会对安排发生较大的影响。

TC4钛合金圆钢使用钨极氩弧焊和 CMT 办法对 TC4 钛合金的堆焊成型工艺进行了研讨，发现与 CMT 办法相比，脉冲钨极氩弧焊可以显著细化晶粒。经过激光堆积制作技能和电弧增材制作技能对比研讨了两种增材试样的安排和剩余应力，发现在电弧增材试样内部安排的晶粒愈加粗化而且热影响区的范围较大，β 柱状晶的生长方向歪斜，电弧增材试样内部的剩余应力值较大。使用有限元剖析办法对电弧增材制作技能制备的试样进行模仿，建立的有限元模型可以准确预测电弧增材进程中的加热和冷却循环，所得到的模仿成果与在试验进程中测量的成果一致。

整体保护使用 TIG 制备了 TC4 钛合金单道多层试样，研讨了TC4 钛合金成型工艺和力学功能，发现试样上部为针状魏氏安排，下部为粗大片层状魏氏安排，且试样的力学功能存在各向异性。选用局部保护使用 TIG 制备了 TC4 钛合金单道多层试样，研讨了 TC4 钛合金力学功能，发现试样微观安排为 β 柱状晶粒。

试样上部为针状的魏氏安排，下部为粗大的魏氏安排，试样的力学功能具有各向异性。使用送丝式激光增材制作技能和电弧增材制作技能分别制备了 TC4 钛合金单道多层试样，研讨了 TC4 钛合金零件不同安排和力学功能，发现试样的力学功能均具有各向异性，激光增材制作具有较高的强度和较低的塑性。

激光选区熔化技能和电弧增材制作技能复合制作办法制备了 TC4钛合金多道多层试样，研讨了 TC4 钛合金安排和力学功能，发现试样构成细密冶金结合，试样断裂在 WAAM 区域，SLM 试件的力学功能略微高于 WAAM 的力学功能，而SLM-WAAM 试件中堆积方向的力学功能高于焊接方向的力学功能。

利用 TIG 制备了 TC4 钛合金单道多层试样，研讨了不同堆积效率对 TC4 钛合金功能的影响，发现当堆积效率较低时，试样的 β 柱状晶尺度较大，力学功能较低。将电弧增材制作技能与轧制相结合，在试样每一层上用滚轮进行轧制，发现轧制后能使试样的晶粒细化，消除试样的各向异性和剩余应力，削减试件变形。使用 TIG 制备了单道多层试样，研讨了微量硼对电弧增材制作 TC4 功能的影响，发现添加微量硼能使 β 柱状晶愈加细长，消除力学功能的各向异性，进步试样的塑性。