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超声辅助激光熔化沉积Ti6Al4V合金的微观组织与力学性能研究
摘要
激光熔化沉积(LaserMeltingDeposition,LMD)是一种典型的金属增材制造技术,
通过逐层累积来制造复杂零件。然而,LMD通常会形成粗大柱状晶粒、内部缺陷以及
残余拉应力等,不利于材料的力学性能。在LMD过程中引入超声能场辅助有望解决上
述问题。本文首先利用LMD制备了Ti6Al4V合金,研究包括激光功率、扫描速度以及
层间停留时间对合金的微观组织与力学性能的影响,分析了等轴晶形成机制;然后将
超声辅助引入LMD过程中,研究超声冲击、超声振动和两者耦合的超声施加形式对缺
陷形态的影响及其作用机理,并分析施加超声辅助前后残余应力的变化规律;最后分
析不同超声施加方式对合金微观组织与力学性能的影响规律与机理。
结果表明,通过调整激光功率和层间停留时间,可以制备出具有等轴β晶粒的
Ti6Al4V合金。当激光功率为1500和1800W,层间停留时间为10s时,试样的β晶粒
形貌由柱状晶转变为等轴晶,这是由于较多的位错以及较大的残余应力导致了再结晶,
最终实现了柱状晶到等轴晶的转变。与柱状β晶粒Ti6Al4V合金相比,具有等轴β晶
粒的Ti6Al4V合金的延伸率更高,并且Ti6Al4V合金的屈服强度随着α相宽度减小而
增加,呈良好的Hall-Petch关系。
超声冲击减少了未熔合缺陷长度,增加了试样的致密度;超声振动可以抑制未熔
合缺陷,这是因为空化和声流效应使长的未熔合缺陷分散成较小的缺陷,并促进了粉
末的熔化,试样缺陷的球形度从64.8%降低到13%;超声耦合区域试样的致密度从未
处理试样的96.9%增加到98.8%。超声冲击和超声振动均可以将残余拉应力转变为残余
压应力,并且随着振幅的增加,残余压应力的值增加。
超声冲击可以得到少量等轴晶,并生成α′马氏体相。随着振幅增加,α/α′相长度减
少,延伸率增加;超声振动可以实现柱状晶到等轴晶的转变,随着振幅增加,初生β
晶粒的宽长比和马氏体含量增加,超声振动试样强度增加,而延伸率显示出先增加后
减小的趋势;在超声耦合区域,α′相向α转变,随着振幅增加,初生β晶粒的宽长比增
加,当振幅为70%时,超声耦合区域的α相尺寸与取向差角分布与未处理试样相似,
以网篮组织为主,延伸率超过了10%。
在超声耦合区域,激光功率为1240和1400W试样延伸率的平面各向异性指数分
别从未处理试样的97.5%和25.3%下降到38.1%和8.4%,前者是由于未熔合缺陷被抑
制,后者是因为柱状晶转变为等轴晶,载荷分布更加均匀。
哈尔滨工程大学硕士学位论文
关键词:Ti6Al4V合金;激光熔化沉积;超声辅助;微观组织;力学性能
超声辅助激光熔化沉积Ti6Al4V合金的微观组织与力学性能研究
Abstract
Lasermeltingdeposition(LMD)isatypicalmetaladditivemanufacturingtechnology,
whichproducescomplexmetalpartsbylayer-by-layermanner.However,LMDusually
resultsintheformationofcoarsecolumnargrains,internaldefects,andresidualtensilestress,
whichisdetrimentaltothemechanicalpropertiesofmaterials.Theintroductionofacoustic
fieldintheLMDprocessisexpectedtosolvetheaboveproblems.Inthiswork,theTi6Al4V
alloywasfirstlypreparedbyLMD,
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