功能梯度材料是由两种或多种材料复合成的新型材料,可在同一结构内实现成分、组织和结构的变化,从而在同一结构的不同位置获得不同性能。钛合金作为高比强度材料,被广泛应用于航天航空航海等领域。

将TC4钛合金和TA19钛合金连接起来,使构件在冷端具备良好的综合性能,在热端具备良好的高温性能,就能够极大地减少发动机零部件数量,进一步进行结构优化设计,具有深远的工程应用意义。西北工业大学陈昱光等对激光立体成形TC4-TA19功能梯度材料的成形过程热行为和3种典型成分梯度区的组织形态进行了模拟和实验研究,并将其研究成果发表在《铸造技术》上。

本期谷.专栏将分享这项研究的主要内容。

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20230417091354168169403455035 文章亮点

(1) 成形温度场和凝固冷却速度受激光功率和层厚的影响显著,受扫描速度影响相对较小,对成分梯度不敏感。

(2) 成分梯度区组织均由外延生长β柱状晶和晶内交错的α板条组成,其中α板条尺寸主要受合金成分影响,随TC4比例提高不断粗化。

(3) 成分梯度区中成分界面处的组织具有较高的连续性,成分梯度越小,界面越不明显。成分梯度区具有较高的设计自由度,可通过调控激光功率和层厚优化凝固组织,利于实际生产。

20230417091354168169403455035 图文简介

为反映TC4-TA19功能梯度材料的成分变化,将不同区域赋予不同材料属性,如图1所示。模型由TC4基体和40层沉积层组成,其中包括20层的TA19、TC4-TA19成分梯度区间和剩余层数的TC4。基板尺寸为144mm×6mm×100mm以保证过程中能充分导热,温度场能尽快进入稳态。沉积部分尺寸为120mm×6mm×(40×ΔZ(层厚))。划分单元格尺寸为6mm×6mm×ΔZ。热源加载逐层往复进行,对应单层多道实验中的往复扫描策略。

20230417091354168169403439137图1 TC4-TA19功能梯度材料模型示意图

模拟所得的温度场如图2(a~e)和图3(a~e)所示。从两张图的宏观温度场可以看出,经过20层TA19成形,成分梯度区的第1层成形时温度场均已基本稳定。成形层边缘部分出现热积累的情况(图2(b~d)与图3(b~c)),这是由于几何边界会影响热行为,导致局部温度较高,与经验中的实际成形过程相符。从整体温度场来看该影响有限,且后续用于分析的数据点均选择每层的中间位置以排除几何边界对温度场的影响。由于激光立体成形过程涉及多次循环加热,凝固组织取决于材料最后一次熔化时的凝固条件,所以仅对循环中最后一次超过熔点的温度进行对比。

20230417091355168169403516646图2 不同激光功率和扫描速度下成分梯度区第1层的宏观温度场示意图和熔池热行为曲线

20230417091355168169403583119图3 不同激光功率和扫描速度下成分梯度区第1层的宏观温度场示意图和熔池热行为曲线

为揭示不同条件下热行为对凝固组织的影响,进一步提取每一成分热循环中最后一次熔化时熔点附近的冷却速率进行对比分析,如图4和图5所示。图4(a)显示,扫描速度在700~900mm/min区间内变化,凝固冷却速率仅变化1.68%。从图4(b)中可以看出,激光功率对凝固冷却速率影响十分明显。随着激光功率从2000W提高至3000W,凝固冷却速率提高了
33.6%。这应当是由于高激光功率在熔池周围形成了更大的温度梯度,从而导致了冷却速率差异较大。从图5(a~e)可以看到,在不同的成分路径中,成分变化对于凝固冷却速率的影响均不显著,不同成分层的冷却速率差异在6%以内。这说明,在进行成分梯度区成形过程中,由成分变化导致的凝固组织差异较小,沿成分梯度方向组织会具有较高的连续性,利于成形过程顺利进行。

20230417091359168169403996512图4 不同扫描速度和激光功率下的凝固冷却速率

20230417091400168169404011614图5 不同成分路径的凝固冷却速率及其对比

图6为I成分路径的梯度试样过渡区宏、微观组织光镜和电镜图片。图6(a)为50%TC4成分区宏观组织片。使用白色虚线对过渡区进行大致划分,可以观察到该过渡方式下过渡区宏观组织与TA19及TC4组织相似,均为初生
β柱状晶,晶粒方向基本平行于沉积方向,而其宽度在300~800μm。图
6(b~d)是过渡区内部不同部位的微观组织SEM图。过渡区内部组织为α板条与
β基体组成的网篮组织,而α相形貌也分为两类:一种是较长的α板条,其长度基本都超过20μm,而宽度普遍在0.35~0.80μm,最大不超过
2μm;另外一种则是较短的α板条,多数是被较长的α板条截断形成的,其长度基本在5μm左右,最长不超过10μm,而宽度与前一种α板条相近,基本都在0.35~0.80μm。图6(e)展示了该过渡区α相宽度变化,可以发现过渡区内α相宽度差异较小,基本是0.52μm。

20230417091402168169404225522图6 I成分路径梯度试样过渡区宏观、微观和电镜组织形貌图

图7为G成分路径的梯度试样过渡区组织图。图7(a)为试样宏观组织,白色虚线为基于元素线扫描结果对过渡区进行大致划分的结果,具体区域成分已在图中标明。试样宏观组织与上述试样基本一致,也为沿外延生长的
β柱状晶组成,大致平行于沉积方向,宽度为200~1000μm,最大不超过
1500μm。图7(b)为TA19-20%TC4含量成分层,可以明显看出此区域
α板条在过渡区内最细,表现出“细长针状”,宽度在0.2μm左右;图7(c)为
TA19-40%TC4成分层,相较上一层,α相宽度明显增加,基本都在0.4~0.8μm,且开始出现短棒状α相;图7(d)为TA19-60%TC4成分层
,α板条宽度进一步增加至0.5~1.0μm;图7(e)为TA19-80%TC4成分层
,α板条由细长状转变为棒状,其宽度在0.8μm左右波动;图7(f)为 TA19-100%TC4成分层,此处α板条是整个过渡区宽度最宽的,基本都在
1
μm,而最大宽度甚至达到了2μm;图7(g)展示了该过渡方式下α相宽度随TC4含量变化的趋势,结果表明,α相宽度与TC4含量呈现一定的线性关系。

20230417091406168169404627771图7 G成分路径梯度试样过渡区宏观、微观和电镜组织形貌图

图8为J成分路径的梯度试样过渡区组织图。试样宏观组织如图8(a)所示,白色虚线所示区域为根据元素线扫描结果进行划分的不同成分区域,其组织也为贯穿多个熔覆层沿基本平行于沉积方向呈外延生长的β柱状晶组成,晶粒宽度在200~800μm。图8(b~k)为这10种成分变化区中部微观组织图,可以发现图示中组织形貌与上述4组试样近似,均为α与β这两相形成的网篮组织。此外,图8(l)为α相宽度随TC4含量变化趋势,结合组织变化可以明显看出在TA19-40%TC4成分层前,其内部α相形态普遍分为细长的针状α板条和被截断的细小α相这两种,而短棒状发生明显粗化的α板条很少
,上述成分区域内部α板条宽度均小于0.5μm,最大不超过0.6
μm;但当成分达到TA19-70%TC4后,组织发生了明显的粗化现象,α板条普遍变为棒状,宽度在0.8μm左右,最大甚至达到了2μm。图8(l)所示为过渡区内α板条宽度变化图,表现出随TC4含量的增加α板条宽度呈近线性增加的趋势。

20230417091409168169404940225图8 J成分路径梯度试样过渡区宏观微观和电镜组织形貌图

20230417091354168169403455035 结论

(1) 在激光立体成形温度场稳定后,激光功率和扫描速度差异均会影响熔池最高温度和宏观温度场,其中激光功率的影响更显著。成分梯度区内的热行为主要受成形层厚影响,对成分梯度不敏感。激光功率2500W,扫描速度700mm/min是较为合适的成形工艺参数。

(2) 模拟结果说明,激光功率和成形层厚是凝固冷却速率的主要影响因素。通过调整激光功率和成形层厚,可以在一定范围内调控凝固冷却速率,以实现对凝固组织的调控。

(3)
组织形态表征分析说明,成分梯度区宏观组织均为外延生长的β柱状晶,
晶内为交错的α板条。α板条尺寸沿成分梯度方向不断粗化。粗化源于合金成分的变化,TC4含量越高,α板条尺寸越大。成分梯度区的成分梯度越小,界面特征越不明显,组织一致性越高。激光立体成形TC4-TA19功能梯度材料的成分梯度区将具有较高的设计自由度,利于实际应用。

作者 zhiyongz

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