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激光增材制造纯钛样件中残余应力、组织及力学性能演变及其影响因素

【摘要】:钛及其合金具有较低的弹性模量、较高的比强度以及优良的生物相容性和和耐蚀性能,作为生物移植材料得到了广泛应用。然而传统铸造得到的纯钛构件强度和硬度较低,而且采用该方法的复杂零部件成形困难、无法实现构件的定制化生产。而激光增材制造技术具有数字化、低成本、短周期、加速创新等特点,适用于制备全致密、结构复杂、高性能金属零件。针对激光增材制造技术成形钛及钛合金存在一些问题,比如工艺参数选取不恰当导致的大量裂纹、孔洞等显微缺陷、较高的残余应力、塑性差等缺点,本文利用同轴送粉式激光增材制造方法制备纯钛,探究了不同工艺参数对残余应力、显微组织及力学性能的影响,在此基础上,对沉积态合金试样进行了退火处理,研究了退火处理对试样显微组织和力学性能。其主要内容和结果如下:1.研究了不同工艺参数下激光增材制造纯钛样件扫描面残余应力的分布规律,结果表明工艺参数对沉积层与基材结合区、中部和顶部区域的残余应力分布规律影响不同。激光增材制造纯钛过程中工艺参数的改变直接影响了温度梯度、熔池的热收缩、激光的冲击力以及基体材料对沉积层的变形限制,这些因素在不同区域的作用程度不同,从而导致了不同区域残余应力的变化规律不一致。2.对激光增材制造纯钛沉积态样件的显微组织进行了观察,得到了工艺参数对显微组织的影响规律。结果表明,沉积件底部区域为变形的等轴状组织,中部区域主要有针状、片状和板条状组织,顶部区域为针状组织,扫描速度过高或者过低、送粉率过高或者过低,均会出现一些大小不一的裂纹或孔洞等缺陷。3.研究了工艺参数对沉积态试样拉伸力学性能的影响,结果表明,在激光功率为900 W、扫描速度为480 mm/min以及送粉率为4.02 g/min条件下得到的纯钛试样具有最佳的综合力学性能,其屈服强度和抗拉强度分别为604.3 MPa和682.5 MPa,伸长率为21.8%,该试样中的针状组织可以有效提高材料的强度,但相对于片状和板条状组织,该组织的塑性较差。4.研究了退火温度对沉积态试样力学性能的影响,结果表明试样在经过温度为550°C退火1 h处理后,其屈服强度和抗拉强度分别达到了585.15 MPa和672.47 MPa,远远超过了传统铸造方法制备的高纯钛的强度,与此同时,试样的塑性得到了提高,残余应力降低。

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