基于絲材電弧增材制造Ti6Al4V-xB合金的組織性能及模擬.pdf

1、鈦及鈦合金具有高強(qiáng)度、低密度、耐高溫、耐腐蝕、無磁性和良好生物相容性等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，然而傳統(tǒng)的鈦及鈦合金成型工藝需要真空熔煉、鍛造及大量切削等后續(xù)處理，使得材料利用率降低，增加了生產(chǎn)成本，采用增材制造技術(shù)可以縮短工藝，提高鈦合金材料的利用率，配以合金成分優(yōu)化，可以提高鈦合金的力學(xué)性能?；诖?，本文研究了鈦合金添加微量硼元素結(jié)合絲材電弧增材制造技術(shù)，并對(duì)鈦合金絲材電弧增材制造過程中快速凝固組織的演變進(jìn)行了模擬。首先，采用高真空

2、非自耗熔煉及吸鑄方法制備不同硼含量的Ti6A14V-xB（wt％，x為0，0.05，0.1，0.5）合金，研究了不同微量硼元素添加對(duì)Ti6A14V-xB的鑄造顯微組織及力學(xué)性能的影響；其次，采用Ti6A14V及Ti6A14V-0.05B絲材為原料，以電弧為熱源，將鈦合金絲材熔融并逐層堆積實(shí)現(xiàn)快速增材制造，研究了鈦合金絲材電弧增材制造的凝固過程、組織形貌和力學(xué)性能等；最后，采用元胞自動(dòng)機(jī)-有限元法對(duì)Ti6A14V及Ti6A14V-0.05

3、B合金絲材電弧增材制造的快速凝固過程進(jìn)行模擬計(jì)算，進(jìn)一步探究了絲材電弧增材制造不同階段的固-液轉(zhuǎn)變、初始β晶形核及生長(zhǎng)等機(jī)理。通過以上研究，得出以下結(jié)果：
　　（1）微量B的添加影響了鈦合金初始β晶生長(zhǎng)，在固-液前沿富集B元素阻礙初始β-Ti長(zhǎng)大，有效細(xì)化晶粒，當(dāng)硼含量超過0.1wt%時(shí)，則有明顯的TiB相析出。Ti6A14V-xB合金的抗拉強(qiáng)度極限隨硼含量的增加單調(diào)上升，這是細(xì)晶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化共同作用的結(jié)果；合金的塑性則是先升高

4、后降低，Ti6A14V-0.05B的塑性提高了15%，而Ti6A14V-0.1B與Ti6A14V-0.5B的塑性則降低超過了40%，因?yàn)槲龀龃嘈缘腡iB相，形成脆性斷裂敏感帶。
　?。?）在Ti6A14V絲材電弧增材制造過程中，由于電弧具有高的熱量輸入，使得每個(gè)堆積區(qū)-熔合區(qū)-堆積區(qū)得到了有效的冶金結(jié)合，沒有明顯的堆積分界面和鈦馬氏體存在，各區(qū)域的顯微組織均為穩(wěn)定的α+β片層組織以及接近的顯微硬度值。與鑄態(tài)Ti6A14V相比，電弧

5、增材制造的鈦合金不僅初始β晶粒細(xì)小，而且α+β片層間距也較小，其抗拉強(qiáng)度與延伸率相比鑄態(tài)均有所提高，拉伸斷口為細(xì)小韌窩狀的韌性斷裂。
　　（3）在Ti6A14V-0.05B絲材電弧增材制造過程中，獲得了更加細(xì)小晶粒的組織，同時(shí)有少量不規(guī)則針狀TiB析出；相比較于鑄態(tài)Ti6A14V-0.05B合金，晶粒尺寸有所減小并且更加趨于枝狀晶形貌，其抗拉強(qiáng)度提高了6.2%，延伸率增加了28.7%。
　?。?）在Ti6A14V絲材電弧增材