中国航发等 l 增材制造钛合金力学性能、微观组织近期研究

  根据3D科学谷，航空增材制造需求的金属选择已扩大到包括铝合金、不锈钢、钛合金、镍基和铁基高温合金、铜合金和耐火合金。根据3D科学谷市场研究战略合作伙伴AMPower, 2022年全球增材制造金属材料的销量大约为6852吨（约9.5亿欧元），该市场有望以44%的年增长率在2027年达到4.2万吨（约30亿欧元），其中镍基高温合金年增长率约为37%，钛合金年增长率约为28%。

  本期，通过节选国内在钛合金增材制造领域的实践与研究，3D科学谷与谷友一起来领略加快速度进行发展的钛合金3D打印。

  中国航发北京航空材料研究院先进高温结构材料重点实验室,航空材料检验测试与评价北京市重点实验室,中国航空发动机集团材料检验测试与评价重点实验室

  摘要：增材制造TC4钛合金在航空航天领域具有广泛的应用潜力。拉伸性能是增材制造材料实现工程化应用的重要考核指标。本工作系统考察了一种激光选区熔化增材制造TC4钛合金室温和400℃的拉伸性能，研究了材料拉伸各向异性规律及断裂机制，并同TC4棒材、锻件、铸件等的组织与性能进行了对比分析。

  结果显示，该合金试样水平方向的拉伸强度比垂直方向高50 MPa以上，塑性和弹性模量无明显差异；垂直面和水平面的组织特征差异是造成拉伸强度各向异性的主因，垂直面的柱状晶组织的晶界数量明显少于水平面的细小等轴组织，从而减弱了对位错运动的阻碍。

  对不同工艺TC4钛合金的拉伸性能作对比分析显示，激光选区熔化TC4钛合金在室温和400℃下可达到甚至优于国内传统工艺TC4钛合金的拉伸性能水平，但在400℃下试样垂直方向的拉伸强度低于国外的相关锻件数据。

  兰州理工大学2. 兰州理工大学,省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室3. 大连船舶重工集团有限公司

  摘要：以等离子弧为热源，采用交流辅助的办法来进行钛合金逐层熔丝增材制造，研究外加交流电流对增材件的微观组织和性能的影响，通过高速摄像观察外加交流电流对熔滴尺寸及熔滴过渡的影响，测量堆垛形貌的粗糙度，观测堆垛层的组织和显微硬度，分析辅助交流电流对堆垛层的压缩性能影响.

  结果表明，外加交流电流会形成显而易见的交流电弧，并促使等离子弧摆动，对熔池起到振荡作用.改善增材件的表面平整度以及增材件的晶粒尺寸，且晶粒尺寸随外加辅助交流的增大而变小，从未加交流到外加交流电流为30 A，晶粒尺寸减少了43.4%.同时，外加交流电流可以显著提升增材件的硬度以及塑性，当外加交流电流为30 A时，硬度为454.15 HV，压缩应变为0.280%，未加交流电流时硬度为406.45 HV，压缩应变为0.110%，压缩应变比未加交流电流时提高了2.5倍.

  摘要：采用增材制造方法制备航空航天大尺寸构件经常会受到加工效率、设备最大加工尺寸的限制，开发增材制造和焊接相结合的复合制造技术有望解决这一问题.因此，开展了增材制造和锻造TC11钛合金激光焊试验，研究了增材制造TC11(TC11-AM)/锻造TC11(TC11-R),TC11-AM/TC11-AM和TC11-R/TC11-R 3种接头的焊接性，开展了焊接接头微观组织、硬度和拉伸试验，并观察了拉伸试样的断口形貌.

  结果表明，3种接头的焊缝区均未发现明显的气孔缺陷.由于熔池温度梯度大、冷却速度快，焊缝组织均为内部布满α′马氏体相的粗大柱状晶粒. 3种接头抗拉强度分别约为1 575,1 687 MPa和1 593 MPa. TC11-R/TC11-R接头和TC11-AM/TC11-AM接头横截面显微硬度呈高斯分布，硬度值分别为445 HV±31 HV和424 HV±6 HV.由于接头不一样的区域的组织差异明显，TC11-AM/TC11-R接头显微硬度呈台阶状分布，硬度值为432 HV±21 HV. 3种接头的拉伸试样均为韧性断裂，发现断裂面均有大量韧窝.通过对比接头的抗拉强度可知，TC11-AM/TC11-R接头和TC11-AM/TC11-AM接头拥有非常良好的焊接性.

  国营芜湖机械厂2. 航空工业沈阳飞机设计研究所3. 南京航空航天大学航空学院

  摘要：通过对增材制造选区激光熔化的钛合金飞机结构维修件的相关性能测试研究，全面评价其工程应用的可行性。研究对照了增材制造与传统机械加工的钛合金材料与典型结构试样以及飞机结构维修件的力学性能。

  结果表明，增材制造钛合金材料室温拉伸、剪切、冲击性能均很优异，与钛合金板材相比各项力学性能相对误差均在10%以内；增材制造钛合金典型结构与机械切削加工典型结构相比，静强度相对误差均在5%以内，疲劳强度最大相对误差为12.9%,钛合金增材制造典型结构与机械加工典型结构力学性能处于同一水平；钛合金增材制造飞机结构维修件与高强度钢机械加工飞机结构维修件的补强效果相当甚至略优。研究表明，增材制造钛合金结构也能满足飞机维修工程的基本要求。

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