基于激光近净成形技术的TC4/Inconel 625功能梯度材料的增材制造与力学性能研究

作     者：王梫 

作者单位：武汉理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈斐

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：Inconel 625 TC4 增材制造 激光近净成形技术 功能梯度材料 力学性能 

摘      要：近年来,随着航空航天,国防和军事工业的不断发展,特别是关键领域的一些关键部件,对材料的要求越来越高。Inconel 625在1000℃的高温下仍具有高强度和强耐腐蚀性。但Inconel 625比强度较低,密度较大。TC4具有轻质高强和耐腐蚀的显著优点,广泛应用于航空机械,生物医疗等关键领域,但其应用也有局限性,这是因为TC4适用温度有限制。温度过高其力学性能大大减小,不能用于高温服役条件。可见单一均匀的传统材料无法满足现有复杂的服役环境,因此需要发展异质材料,结合多种材料优势。由于TC4与Inconel 625两者的密度、热膨胀系数等物理性能差异较大,直接连接两种材料会产生较大的应力,容易导致开裂等缺陷,导致成形困难。而TC4与Inconel 625合金的梯度材料有利于改善直接连接时产生大的应力,使其能够同时具有耐高温和轻量化的多重优点,满足特殊服役环境应用需求。因此,本文的研究目标为通过激光近净成形技术(LENS)制备致密的TC4/Inconel 625梯度材料,并研究其物相组成、微观结构和力学性能。本研究首先探索了激光近净成形技术中激光功率、扫描速度和送粉速率等成形工艺参数对Inconel 625和TC4合金成形质量的影响。在最佳工艺参数下打印了Inconel 625和TC4块体,探究不同建造方向对Inconel 625和TC4合金微观结构、物相组成和力学性能的影响。然后使用激光近净成形技术制备了不同比例的TC4/Inconel 625复合材料,分析不同含量的TC4/Inconel 625复合材料的物相组成、微观结构以及力学性能,优选出梯度材料的成分组成。最后,制备了TC4/Inconel 625梯度材料,并对其微观结构和力学性能进行了研究。结果表明,打印Inconel 625的最佳工艺参数为激光功率350 W,扫描速率900 mm/min,送粉速率为4 g/min,打印TC4的最佳工艺参数为激光功率350 W,扫描速率800 mm/min,送粉速率为3 g/min。LENS技术制备的Inconel 625和TC4合金均在力学性能上有各向异性,即均在XY方向具有更高的强度,XZ方向具有更高的延伸率。Inconel 625样品具有高延展性,在XZ方向达到43.45%,抗拉强度为834.74 MPa。TC4钛合金样品在XY方向上的屈服强度和抗拉强度分别为963.24 MPa和1053.46 MPa,延伸率为9.40%。复合材料研究结果表明,当Inconel 625含量过高时,易产生脆性金属间化合物导致开裂等缺陷,为打印致密的TC4/Inconel 625梯度材料奠定基础。我们采用激光近净成形技术制备了从100%TC4到90%TC4/10%Inconel 625、80%TC4/20%Inconel 625、70%TC4/30%Inconel 625、60%TC4/40%Inconel 625和50%TC4/50%Inconel 625的梯度材料。通过对梯度材料的微观结构进行研究,我们获得了组成成分和晶粒尺寸均呈现梯度变化的组成与结构双梯度的材料。随着TC4含量的减小,梯度材料的硬度呈上升趋势。当成分达到50%Inconel625/50%TC4沉积层时,硬度达到最大值,为695 HV。获得的TC4/Inconel 625梯度材料的抗拉强度为701.88 MPa,屈服强度为517.16 MPa,均匀延伸率为14.07%。