激光快速成形TC17钛合金热处理工艺研究1218.docx

1、激光快速成形TC17钛合金热处理工艺研究1218中图分类号：TG146.2+3论文编号：10006SY1101104硕 士 学 位 论 文激光快速成形TC17钛合金热处理工艺研究作者姓名 陈博学科专业 材料加工工程指导教师 王华明 教授培养院系 材料科学与工程学院Research on heat treatment process of laser rapid formed Ti-17 titanium alloyA Dissertation Submitted for the Degree of MasterCandidate：Chen BoSupervisor：Prof. Wang Hua

2、mingSchool of Materials Science & Engineering Beihang University, Beijing, China中图分类号：TG146.2+3 论文编号：10006SY1101104 硕 士 学 位 论 文激光快速成形TC17钛合金热处理工艺研究作者姓名 陈博 申请学位级别 工学硕士指导教师姓名 王华明 职 称 教授学科专业 材料加工工程 研究方向 激光材料制备与成形学习时间自 2011年 9月 1日 起至 2014年 1月 30日止论文提交日期 2013年 12月 20日 论文答辩日期 2013年 12月 17日学位授予单位 北京航空航天大学

3、学位授予日期 年 月 日关于学位论文的独创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得北京航空航天大学或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中做出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。学位论文作者签名： 日期： 年 月 日学位论文使用授权书本人完全同意北京航空航天大学有权使用本学位论文（包括但不限于其印刷版和电子版），使用方式包括但不限于：保留

4、学位论文，按规定向国家有关部门（机构）送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。保密学位论文在解密后的使用授权同上。学位论文作者签名： 日期： 年 月 日指导教师签名： 日期： 年 月 日摘 要 TC17钛合金的名义成分为Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr，是一种富稳定元素的两相钛合金，具有较高的强度、淬透性、疲劳性能、断裂韧性以及热稳定性，综合性能良好，常用作发动机风扇、压气机盘件等关键零件。然而由于钛合金变形抗力大、切削加工工艺性能差，采用传统锻造+

5、机械加工方法制造大型复杂钛合金构件周期长、成本高、制造难度大。激光快速成形技术是一种以金属粉末为原材料，通过高能激光束对金属原材料的逐层熔化堆积，直接由零件CAD模型一步完成全致密、高性能、大型复杂金属零件的“近终成形”制造技术，具有成本低、加工周期短和材料利用率高等优点，在航空航天等工业中具有广泛的应用前景。激光快速成形TC17钛合金具有与锻件TC17钛合金不同的显微组织，锻件TC17常用的热处理制度不能直接适用于激光成形TC17钛合金，作为改善其组织性能的重要手段之一，其热处理工艺需要进行深入探索。本文利用激光快速成形技术制备成形TC17钛合金板状试验料，分析激光沉积态TC17的显微组织特

6、征及其形成机理，重点研究预处理退火、固溶以及时效处理中温度及冷却速度对显微组织及力学性能的影响，并分析其断裂机理，结果表明：（1）激光快速成形TC17钛合金具有独特的组织特征，本实验中将试样板顶部5mm厚的耐蚀性较差的若干沉积层定义为“非稳态区”，其显微组织为细小针状的亚稳定组织，其余部分沉积层定义为“稳态区”，显微组织为细小的网篮组织；将仅存在于“稳态区”、由于熔池对已沉积层的循环热影响而形成的约500m宽的条带特征定义为“热影响条带”，将存在于“非稳态区”及“稳态区”中、由于熔池对固液界面处基体的强烈作用而形成的约50m宽的条带特征定义为“层间条带”，层间条带可反映熔池的形貌；在相邻熔池搭

7、接（重叠）部位常形成柱状晶形貌，在熔池的中心部位常形成等轴晶形貌。（2）激光快速成形TC17沉积态试样具有高强度低塑性的特性，拉伸断口在柱状晶区域表现为穿晶断裂而在等轴晶区域表现为沿晶断裂，沿晶断裂可能是由于晶界处连续的晶界相导致。两相区预处理退火+固溶时效处理可显著调节激光快速成形TC17钛合金的显微组织。预处理温度升高、冷却速度增大可减小初生相的长径比，固溶温度升高、固溶冷却速度增大可降低初生相的体积分数，而升高时效温度可增大次生相的片层厚度。增加初生相长径比、次生相体积分数可使材料强度上升而塑性下降、增大次生相片层厚度可使塑性上升而强度降低。然而两相区预处理退火+固溶时效处理无法消除粗大

8、连续的晶界相，断裂模式没有明显改变。（3）通过单相区预处理使晶界相与晶内相在固溶阶段同时形核长大，从而避免形成连续的晶界相且使其两侧初生相与次生相分布均匀，在一定程度上减小沿晶断裂倾向，将激光快速成形TC17钛合金的沿晶断裂转变为穿晶断裂。 关键词：激光快速成形；TC17钛合金；热处理工艺；显微组织特征；力学性能Abstract TC17 titanium alloy (Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr) was designed to meet the need of compressor disks of advanced aircraft engine, for its ex

9、cellent strength, harden ability, fatigue resistance, fracture toughness and thermal stability. However, manufacturing titanium alloy by traditional processing methods, such as forging followed by machining, was costly and difficultly. An advanced manufacturing technology named of laser rapid formin

10、g technology could overcome those shortcomings. Laser rapid forming process is a solid freeform fabrication technology based on layer-by-layer materials melting and depositing to fabricate fully dense near-net-shape metallic components with fine microstructure, excellence of comprehensive mechanical

11、 properties and low cost of fabricating. Laser rapid forming TC17 titanium alloy was differ from forging TC17 alloy, therefore tradition heat treatment of forging TC17 alloy was not suitable for laser forming TC17 alloy. Heat treatment for laser forming TC17 alloy, as one of the most important metho

12、ds to improve the microstructure and mechanical behavior, deserve to be explored. In this project, TC17 titanium alloy were manufactured by laser rapid forming technology. Microstructure and mechanical behavior of as-deposited and heat-treated alloy were investigated. The influences of heat-treatmen

13、t on microstructure and mechanical behavior, as well as fracture mechanism, were detailedly discussed. The result revealed that: Laser rapid forming TC17 titanium alloy has unique microstructure characteristic for the special fabricating process, layer-like feature could be obtained in macrostructur

14、e, and several layers, defined as “unstable zone” with about 5mm thick, was placed at top of the sample and other layers was defined as “stable zone”. A band feature named “layer band” could be obtained through the whole sample while the “heat-affected band” existed only in the stable zone below. Th

15、e prior grain morphologies in microstructure was heterogeneity, huge columnar grains grew in the overlap zone of adjacent melting pool, and small equiaxed grains were placed in the center zone of each melting pool. The microstructure in unstable zone was ultra fine acicular structure, and in stable

16、zone was fine basket-weave microstructure. After anneal treatment and solution and aging treatment, the aspect ratio of primary in laser rapid forming TC17 titanium alloy reduced in pace with the anneal temperature and cooling rate increase. And the volume fraction of primary decreased as solution t

17、emperature and solution cooling rate increased. Moreover, the thickness of secondary was related to the aging temperature as higher aging temperature lead to thicker secondary and more volume fraction of matrix. The laser rapid forming TC17 titanium as-deposited alloy exhibited excellent strength bu

18、t lower ductility, and exhibited a mixture of intergranular and transgranular fracture due to the heterogeneity of grain morphologies. And the fracture mechanism has not been changed after heat treatment. The mechanical property could be affected by the microstructure. Higher aspect ratio of primary

19、 , higher volume fraction of secondary and thinner secondary could result in higher strength and lower ductility. The continuous and thick grain boundary phase and a precipitate free transformed zone beside could result in the intergranular fracture in laser rapid forming TC17 titanium alloy. By pre

20、treated in phase region, the grain boundary and inside was transformed into matrix, and precipitated synchronously and uniformly, weakening the difference in dimension between grain boundary and primary to a certain extent. In that way, the fracture mechanism of laser rapid forming TC17 titanium all

21、oy could be transformed from intergranular/ transgranular fracture to typical transgranular fracture.Keywords: laser rapid forming; Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr; heat treatment; microstructure; mechanical property目 录摘 要 IAbstract III第一章 绪论 11.1 研究背景及意义 11.2钛与钛合金概述 21.2.1 钛及钛合金的基本性质 21.2.2 钛合金分类及TC17钛合金 41

22、.2.3 钛合金显微组织及力学性能 51.3 钛合金的固态相变及热处理 71.3.1 钛合金的固态相变 71.3.2 钛合金的热处理 101.4 钛合金成形制备方法 121.4.1 精密铸造技术 121.4.2 精密塑性成形技术 131.4.3 粉末冶金技术 151.5 激光快速成形技术 151.6 本课题研究目的及研究内容 21第二章 实验方法及原理 232.1材料制备 232.2热处理实验 242.2.1退火预处理 242.2.2固溶处理 252.2.3时效处理 262.2.4断裂模式探索 262.3显微组织分析 282.4力学性能分析 28第三章 激光快速成形TC17钛合金沉积态组织性能

23、特征 293.1激光快速成形TC17钛合金沉积态宏观组织形貌 303.2激光快速成形TC17钛合金沉积态显微组织特征 343.3激光快速成形TC17钛合金沉积态力学性能特征 36本章小结 37第四章 热处理对激光快速成形TC17钛合金显微组织以及力学性能的影响 384.1预处理温度影响 384.2预处理冷却方式影响 414.3初生相长径比对力学性能的影响 424.4固溶温度影响 454.5固溶冷却方式影响 474.6初生相/次生相体积分数对力学性能的影响 484.7时效温度影响 514.8次生相片层厚度对力学性能的影响 52本章小结 54第五章 单相区预处理+固溶时效对激光快速成形TC17钛合

24、金显微组织与力学行为的影响 555.1单相区/两相区预处理 555.2固溶处理过程中的组织演变 565.3时效过程中的组织演变 585.4单相区/两相区预处理对断裂行为的影响 59本章小结 62结 论 63参考文献 64攻读硕士学位期间取得的学术成果 70致 谢 71第一章 绪论1.1 研究背景及意义钛合金具有密度低、比强度高、屈强比（屈服强度/抗拉强度）高、耐蚀性好、耐热性高及高温力学性能优异等突出特点，作为一种优良的结构材料而广泛应用于航空、航天、电子、化工、医疗等军用和民用领域。钛合金的应用水平是衡量飞机选材先进程度的重要标志之一，随着对飞机性能要求的不断提高，钛合金在航空工业中的应用优

25、势日趋明显，其用量占飞机总重量中的比例不断提高。为了最大限度减轻结构件重量，同时保证较高的使用性能，飞机用钛合金关键零件通常采用形状复杂的整体带筋加强结构。在第三代战机研制过程中，我国普遍采用的是“锻造+数控机加”的制造方法，然而由于钛合金变形抗力大、切削加工工艺性能差，采用这种方法制造大型钛合金构件周期长、成本高、制造难度大。因此，迫切需要发展新的更为先进的钛合金近净成形技术，以应对我国航空钛合金工业当前所面临的高用量、高性能、低成本的严峻挑战。高性能金属结构件激光快速成形制造技术一种实体自由成形技术，利用快速原型制造（RPM）的基本原理，以金属粉末为原材料，通过高能激光束对金属原材料的逐层

26、熔化堆积，直接由零件CAD模型一步完成全致密、高性能、大型复杂金属零件的“近终成形”制造。激光快速成形技术将高性能结构材料设计、制备与“近终形”复杂零件直接成形有机融为一体，与锻压-机械加工传统制造技术相比这项技术具有生产制造周期短、生产制造成本低、材料利用率高、无需模具、工艺简单等独特优点，尤其适合于先进装备大型复杂钛合金等高性能关键金属结构件的快速、低成本成形制造，对装备的快速研制、生产与改型具有十分重要的意义。美国Aeromet公司及国内北京航空航天大学已成功实现激光快速成形钛合金结构件在飞机上的应用,。TC17(名义成分为Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr)是一种富稳定元素的

27、两相钛合金，具有强度高、断裂韧度好、淬透性高、热稳定性好、疲劳强度高等优点，常用于设计大截面的锻件与发动机风扇、压气机盘件,。作为近型两相钛合金，TC17钛合金可通过热处理以改善组织提高性能,，锻造TC17形变热处理工艺已得到深入探索，研究表明：其性能与在两相区或单相区内形变热处理息息相关，两相区的热加工过程包括一系列在+相区内锻造与加热的过程，即在锻造后进行双重固溶处理+时效处理，常采用840C/1h,AC +800C/4h,WQ +630C/8h,AC；单相区热加工过程包括在两相区内预模锻、在单相区内终锻后进行固溶时效，常采用的热处理制度为800C/4h,WQ +630C/8h, AC。对

28、于激光快速成形TC17钛合金，由于成形过程中高温度梯度、高冷却速度以及往复加热效应，其沉积态显微组织为不均匀的非平衡凝固组织，不能达到最佳的力学性能，热处理是调整激光快速成形TC17钛合金显微组织与力学性能性能的重要手段之一，热处理参数对其组织与性能影响需要进一步探索研究，然而，目前对于激光快速成形TC17钛合金的显微组织及相关力学行为研究报道相对较少,，本文研究了激光快速成形TC17钛合金沉积态显微组织与力学性能，以及高温预处理、固溶温度、时间、时效温度对显微组织的影响，探究显微组织与力学性能之间的关系，为改善显微组织提高综合力学性能提供基础研究。1.2钛与钛合金概述1.2.1 钛及钛合金的

29、基本性质钛是继钢、铝、镁之后21世纪的新型金属，其原子序数为22，相对原子量为47.87，位于化学元素周期表的IVB族。纯钛的熔点为1668，钛在固态下具有同素异构转变，在882.5C以下为具有密排六方(HCP)晶格结构的钛，在882.5C以上至熔点1678C之间则为具有体心立方(BCC)晶格结构的钛。-Ti和-Ti的晶体结构如图1所示。图1 钛的同素异构体：-Ti和-Ti的晶体结构以钛为基体加入各种金属或非金属合金元素，就构成钛的金属间化合物或非金属化合物等统称钛合金。钛合金中，随着加入的合金成分和比例的不同，钛合金的/相变点的变化十分敏感。根据合金元素对钛的/转变温度的影响，通常将其分为三

30、类：提高/转变温度的称为稳定元素；降低/转变温度的称为稳定元素；对/转变温度影响很小的称为中性元素,。表 1显示了钛合金中合金元素的作用及其类型。表 1 钛中常用合金元素的分类类别作用特点元素对/相变点的影响其他稳定元素升高与钛无限溶解Al、Ca、Ge、Ga、O、N、C稳定元素同晶型降低与钛无限互溶，无共析V、Mo、Nb、Ta慢共析降低与钛有限溶解，共析反应慢Mn、Fe、Co、Cr快共析降低与钛有限溶解，共析反应快Cu、Si、Ni中性元素小与钛和钛无限互溶Zr、Hf、Sn稳定元素能在-Ti中大量溶解，从而使相区扩大（如图 2-a），提高/转变温度，这类元素在周期表中的位置离钛比较远，包括Al、

31、Ca、Ge、Ga、O、N、C等，其中应用得最多的是Al，Al元素含量的增加，不仅会提高转变温度，还能使稳定元素更易溶解于相之中，对提高钛合金的高温强度与抗氧化性、降低比重、增加弹性模量有明显效果,。稳定元素能在相中大量溶解的，从而扩大相区（如图 2-b），降低/转变温度，可细分为同晶型元素和共析型元素。当V、Mo、Nb、Ta等同晶元素 或Mn、Fe、Cr、Co等慢共析元素含量达到某一临界值（即临界浓度Ck）时，较大的冷却速度能使合金中的相保留至室温而不发生马氏体相变。各种稳定元素的Ck值见表2，元素的Ck值越小，其稳定相的能力越强。对于Si、Ag、Bi等快共析元素，由于在钛中所形成的共析反应速度非常快，相将分解成相和比较脆的金属间化合物，很难保留到室温。表2 钛合金中常用合金元素的临界浓度元素TaNbVMoNiCoMnCrFeCk(wt%)453615118.59.56.56.55.5中性元素：中性元素对/转变温度的影响较小（如图 2-c），在和相中均有较大的溶解度。中性元