Ti6Al4V選區(qū)激光熔化及其與Ti-C-Al體系燃燒合成焊接基礎(chǔ)研究.pdf

1、隨著航天工業(yè)的發(fā)展，對(duì)小推力姿控軌控火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的要求越來(lái)越高，型號(hào)產(chǎn)品更新?lián)Q代速度也越來(lái)越快。噴注器制造周期長(zhǎng)及其與燃燒室焊接性能差等問(wèn)題制約了姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和發(fā)展速度。本文提出采用選區(qū)激光熔化（SLM）技術(shù)制備噴注器，然后通過(guò)燃燒合成（CS）工藝制備燃燒室的同時(shí)原位焊接噴注器的設(shè)想?；诖耍撐膶?duì)Ti6Al4V鈦合金的SLM技術(shù)及其與Ti-C-A1體系的CS原位焊接技術(shù)進(jìn)行了基礎(chǔ)性研究。
　　本論文對(duì)Ti6Al4V鈦合金的S

2、LM工藝、致密化機(jī)理和溫度場(chǎng)數(shù)值模擬等進(jìn)行了系統(tǒng)而深入的研究，旨在提高SLM鈦合金零件的成形質(zhì)量和致密度。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)SLM方法制作了用于研究異種材料CS焊接所用的鈦合金環(huán)作為基體材料，選擇Ti-C-Al體系作為焊料，研究了點(diǎn)火方式、壓坯密度、Al含量等對(duì)Ti-C-Al體系/Ti6Al4V鈦合金CS焊接接頭性能的影響，并對(duì)Ti-C-Al體系 CS的熱力學(xué)和宏觀動(dòng)力學(xué)及該體系與Ti6Al4V鈦合金CS焊接機(jī)理進(jìn)行了研究。
　　論

3、文主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下：
　　（1）選擇波長(zhǎng)為1064nm的Nd:YAG激光器，加裝了傳動(dòng)系統(tǒng)和氣體保護(hù)系統(tǒng)，使之能成形鈦合金零件。
　?。?）研究了粉末特性和成形工藝參數(shù)對(duì)Ti6Al4V鈦合金 SLM試樣致密度的影響機(jī)理。用于SLM的Ti6Al4V粉末分布范圍較窄，不利于鋪粉致密化，采用尺寸比為0.1左右的二組分 Ti6Al4V粉末進(jìn)行混合級(jí)配，將鋪粉密度提高到接近70％；能量密度對(duì)最終試樣的致密度有很大影響，為了保證層

4、間的冶金結(jié)合和最終試樣的致密度，要求激光功率密度超過(guò)106W/cm2；根據(jù)激光傳輸深度和粉末性能這兩個(gè)因素，確定鈦合金成形層厚為0.1mm。
　?。?）通過(guò)單道、單層和塊體SLM成形實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)地研究了工藝參數(shù)（激光功率、掃描速度、掃描路徑、搭接率等）對(duì)鈦合金成形特性和致密度的影響，得到了Ti6Al4V鈦合金粉末 SLM最佳掃描策略為回填變向掃描；最佳工藝參數(shù)為：激光功率400W、搭接率1、掃描速度750mm/min；分析了Ti6A

5、l4V粉末SLM試樣的力學(xué)性能，與傳統(tǒng)Ti6Al4V合金性能相比，拉伸性能略低，但是硬度較高。
　?。?）應(yīng)用有限差分法建立了Ti6Al4V粉末 SLM成形過(guò)程溫度場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型，并運(yùn)用該數(shù)學(xué)模型編制了鈦合金粉末SLM過(guò)程溫度場(chǎng)仿真軟件，實(shí)現(xiàn)了單道和單層的溫度場(chǎng)模擬。為驗(yàn)證所建模型及所編軟件的正確性，利用測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)粉末層表面下0.1mm處的某一點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)溫，結(jié)果表明實(shí)測(cè)溫度曲線(xiàn)與模擬溫度曲線(xiàn)基本吻合。進(jìn)一步對(duì)單道掃描與單層掃描的溫

6、度場(chǎng)模擬結(jié)果表明：隨著掃描速度增加，熔池的寬度和深度都減小，熔池處的最高溫度也明顯下降；采用回填變向掃描策略溫度累積效應(yīng)最小。
　　（5）研究了點(diǎn)火方式、壓坯密度、Al含量等對(duì)Ti-C-Al體系CS原位焊接Ti6Al4V接頭性能的影響。通過(guò)比較認(rèn)為在熱爆-加壓方式下焊縫處溫度最高，達(dá)到1539℃，焊接界面存在明顯的過(guò)渡區(qū)，剪切強(qiáng)度為68.33MPa；壓坯密度對(duì)CS焊接影響顯著，增加壓坯密度可改善接頭性能，但過(guò)高的壓坯密度也會(huì)使熱量

7、散失加劇，引起接頭性能降低，甚至不連接，合適的壓坯密度在60%左右；Al含量對(duì)壓坯合成產(chǎn)物的晶粒大小和焊接接頭性能有很大影響，40%的鋁含量可使CS反應(yīng)產(chǎn)物致密，接頭性能也較好。
　?。?）對(duì)Ti-C-Al體系CS反應(yīng)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)，進(jìn)行了深入的研究，并且在此基礎(chǔ)上，建立了反應(yīng)生成的宏觀動(dòng)力學(xué)模型。
　?。?）根據(jù)焊接界面濃度場(chǎng)方程，對(duì)Ti-C-Al/Ti6Al4V焊接界面的濃度場(chǎng)進(jìn)行了分析，并用焊接界面能譜分析結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)

8、證。在此基礎(chǔ)上，從微觀結(jié)構(gòu)方面進(jìn)一步闡述了界面過(guò)渡區(qū)相結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理，建立了CS焊接界面元素?cái)U(kuò)散和固相反應(yīng)模型。
　　總之，本文驗(yàn)證了通過(guò) SLM+CS焊接復(fù)合成形技術(shù)實(shí)現(xiàn)金屬陶瓷復(fù)合構(gòu)件一體化快速加工的可行性。利用SLM實(shí)現(xiàn)了Ti6Al4V致密成形件，致密度達(dá)到95.57%，為下一步成形復(fù)雜鈦合金零件提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。利用CS反應(yīng)實(shí)現(xiàn)了Ti-C-Al金屬間化合物與鈦合金異種材料焊接，獲得了焊接接頭的較大剪切強(qiáng)度，證明了所選材料體系