低真空激光熔覆沉积系统设计及强制水冷对TC4合金熔覆组织影响的研究

作     者：赵衍 

作者单位：石家庄铁道大学 

学位级别：硕士

导师姓名：齐海波

授予年度：2017年

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：TC4合金粉末 激光熔覆沉积 氧含量 力学性能 强制水冷 组织 

摘      要：钛合金高的比强度、优异的耐腐蚀性、良好的耐热性使其广泛应用于航空、航天、船舶等领域。但是,钛合金高温下会与氧气剧烈反应,需要为激光熔覆沉积成形过程提供惰性气体保护。本文设计了一套适用于TC4合金粉末激光熔覆成形的真空系统,基于此系统采用数值模拟与实验相结合的方法研究了基板强制水冷对成形件组织的影响。首先,设计了一种低真空成形环境并完成系统搭建,开发了一款LCD成形软件,实现三维平台的自动化控制,为TC4合金粉末的激光熔覆沉积成形提供一套成形平台。然后,分别采用正交实验法、单因素变量成形实验法对TC4合金粉末进行了激光单道、多道成形工艺实验研究,得到优化的工艺参数为:激光功率600 W,扫描速度5 mm/s,送粉速率4.3 g/min,搭接率为30%。利用最优的工艺参数,进行实体零件成形,并对其内部氧含量及拉伸性能进行了检测,检测结果为:真空室内成形件的内部氧含量比惰性气体保护下的成形件下降了48%;随着成形件氧含量的增加,抗拉强度和屈服强度得到提高,而延伸率降低了59.3%;不同气氛保护下的成形件抗拉强度相差不大,但均高出基体(910 MPa)35%左右,屈服强度均高出基体(850MPa)38%左右。说明实验用真空系统对成形件内部氧含量控制有效。最后,使用ANSYS有限元软件模拟了基板不同对流换热系数下TC4合金激光熔覆沉积过程中温度场变化。得出:从熔池底部到熔池顶部,温度梯度不断降低;对基板设置高的对流换热系数会增大熔池凝固时的温度梯度,熔池底部尤为显著,温度梯度方向有向平行于沉积方向转变的趋势,成形件内部的冷却速率也会增大。利用优化的工艺参数在真空系统中进行成形实验,研究基板强制水冷对成形件组织的影响。得出:TC4激光熔覆沉积试样组织为贯穿整个试样呈外延生长的粗大柱状晶。但对基板施加强制水冷后,成形件中沿垂直基板方向的β柱状晶能获得更大竞争优势而持续生长,因受到层间单道熔覆的影响,组织由魏氏组织变为网篮状组织。实验结果与模拟结果较为接近,为后续微观组织“控性研究打下了良好的基础。