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TC4鈦合金圓鋼

TC4鈦合金簡介  鈦是 20 世紀 50 時代發(fā)展起來的一種重要金屬，鈦合金歸于重要的結構金屬，鈦及  鈦合金密度為 4.51g/cm3 ，作為重要的結構金屬資料，有著優(yōu)異的力學和物理功能，如：熔點較高，熱導率和線膨脹系數低、比強度高、彈性模量低、耐蝕性好、屈強比高、可焊接、生物相容性好，其重要性現已被世界上許多的國家知道，陸續(xù)對其進行開發(fā)研討，廣泛適用于航空航天、化工、船只、轎車、石油、電力等多個行業(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機身的殼體、蒙皮和起落架部件等，一起在發(fā)動機的葉片、高壓壓氣機轉子、軸類等中也得到使用，且使用量不斷添加，說明鈦合金在飛機結構中具有重要的效果和戰(zhàn)略地位。

1.1.2 鈦合金的分類

鈦有 α-Ti 和 β-Ti 兩種同素異構體，其 β 改變溫度為 882.5℃，α-Ti 為密排六方結構，在 882.5℃以下安穩(wěn)存在，在 882.5℃以上為 β-Ti 具有體心立方結構。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：α 型鈦合金、α+β 型鈦合金、β 型鈦合金。

（1）α 型鈦合金。經過退火處理后合金安排為單質 α 安排的鈦合金稱為 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，可是強度很低，且經過熱處理不可以來改進資料功能。

（2）α+β 型鈦合金。退火空冷后顯微安排為 α+β 稱為 α+β 型鈦合金。該合金的綜合功能較好，熱加工工藝性好，可以經過熱處理對其強化，與 α 型鈦合金相比強度較高，可是安排不夠安穩(wěn)。

（3）β 型鈦合金。當 β 安穩(wěn)元素含量到達 17%時該合金被稱為亞安穩(wěn) β 合金，當含量持續(xù)添加到達 30%時被稱為安穩(wěn) β 型鈦合金。β 型鈦合金的室溫強度比較高，是發(fā)展高強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

熱處理是一種經過將試樣經過加熱、保溫、冷卻后改變試樣內部顯微安排和功能的加熱工藝。鈦合金的力學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。選用不同的熱處理工藝會對鈦合金試樣內部的顯微安排發(fā)生影響使其發(fā)生差異，從而進一步影響鈦合金試樣的力學功能。退火和固溶時效是鈦合金熱 處理工藝使用較為廣泛的兩種，其間退火工藝包括去應力退火、退火和兩層退火等。

TC4鈦合金棒去應力退火又被稱作不退火，其意圖是經過退火處理削減在堆積成形進程中試樣內部發(fā)生的內應力避免試樣呈現變形和開裂，退火溫度通常在 450~650℃之間；退火也叫做再結晶退火，經過退火后鈦合金除了可以發(fā)生再結晶進程，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 相變點以下 120~200℃之間；兩層退火意圖為改進 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、保溫和空冷進程，加熱溫度通常在（α+β）/β 相變點以下 20~160℃之間，而第2次加熱溫度通常在（α+β）/β 相變點以下 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在三維軟件上取得的 CAD 數據模型進行切片處理，將三維模型轉換成二維截面，經過熱源對二維截面進行逐層掃描，使用逐層累積的辦法成形出實體零件。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、數控技能、逆向工程技能、資料學、激光、焊接等方面。相對于傳統(tǒng)的制作技能，增材制作技能具有柔性高、無模具、周期短、不受零件結構和資料限制等一系列長處，在航天航空、轎車、電子、醫(yī)療、等范疇得到了廣泛使用。

在 20 世紀 90 時代中期，對激光近凈成形制作技能(Laser engineered net shaping，LENS)進行了研討，經過選用固體激光器和同步送粉體系，對金屬零件進行的堆積制作和修正；使用電子束制作技能(Electric beam melting，EBM)開宣布利用金屬粉末可直接制作出細密零件的自在成形技能；國內發(fā)展出激光立體成形技能(Laser solid forming，LSF)，經過進行很多的工藝成形試驗對鈦合金、不銹鋼和高溫合金等不同資料的工藝特性、顯微安排、力學功能進行了研討，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部沒有缺陷；

1.2.3 國內外電弧增材制作技能研討現狀

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)現試樣具有良好的抗拉強度、屈服強度和韌性。上世紀 80 時代末，隨同增材制作技能的呈現，科研人員開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。

采用 GMAW 三維焊接成型(3D Welding) 辦法，經過六軸工業(yè)機器人和 GMAW 工藝成形出金屬零件，使用溫度操控設備檢測零件外表溫度進而操控焊接熱輸入，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、電弧長度對 4043鋁合金成形的影響，發(fā)現熱輸入會對安排發(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 TC4 鈦合金的堆焊成型工藝進行了研討，發(fā)現與 CMT 辦法相比，脈沖鎢極氬弧焊可以顯著細化晶粒。經過激光堆積制作技能和電弧增材制作技能對比研討了兩種增材試樣的安排和剩余應力，發(fā)現在電弧增材試樣內部安排的晶粒愈加粗化而且熱影響區(qū)的范圍較大，β 柱狀晶的生長方向歪斜，電弧增材試樣內部的剩余應力值較大。使用有限元剖析辦法對電弧增材制作技能制備的試樣進行模仿，建立的有限元模型可以準確預測電弧增材進程中的加熱和冷卻循環(huán)，所得到的模仿成果與在試驗進程中測量的成果一致。

整體保護使用 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功能，發(fā)現試樣上部為針狀魏氏安排，下部為粗大片層狀魏氏安排，且試樣的力學功能存在各向異性。選用局部保護使用 TIG 制備了 TC4 鈦合金單道多層試樣，研討了 TC4 鈦合金力學功能，發(fā)現試樣微觀安排為 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功能，發(fā)現試樣的力學功能均具有各向異性，激光增材制作具有較高的強度和較低的塑性。

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 鈦合金安排和力學功能，發(fā)現試樣構成細密冶金結合，試樣斷裂在 WAAM 區(qū)域，SLM 試件的力學功能略微高于 WAAM 的力學功能，而SLM-WAAM 試件中堆積方向的力學功能高于焊接方向的力學功能。

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 TC4 鈦合金功能的影響，發(fā)現當堆積效率較低時，試樣的 β 柱狀晶尺度較大，力學功能較低。將電弧增材制作技能與軋制相結合，在試樣每一層上用滾輪進行軋制，發(fā)現軋制后能使試樣的晶粒細化，消除試樣的各向異性和剩余應力，削減試件變形。使用 TIG 制備了單道多層試樣，研討了微量硼對電弧增材制作 TC4 功能的影響，發(fā)現添加微量硼能使 β 柱狀晶愈加細長，消除力學功能的各向異性，進步試樣的塑性。