TC4鈦合金是什麼材料 鈦合金熱處理方法 鈦合金電弧增材製作技能

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TC4鈦合金簡介

鈦是 20 世紀 50 時代發展起來的一種重要金屬，鈦合金歸於重要的結構金屬，鈦及

鈦合金密度為 4。51g/cm3 ，作為重要的結構金屬資料，有著優異的力學和物理功能，如：熔點較高，熱導率和線膨脹係數低、比強度高、彈性模量低、耐蝕性好、屈強比高、可焊接、生物相容性好，其重要性現已被世界上許多的國家知道，陸續對其進行開發研討，廣泛適用於航空航天、化工、船隻、轎車、石油、電力等多個行業。鈦及鈦合金一直是航空航天工業的“脊柱”之一，鈦合金主要用於飛機機身的殼體、蒙皮和起落架部件等，一起在發動機的葉片、高壓壓氣機轉子、軸類等中也得到使用，且使用量不斷新增，說明鈦合金在飛機結構中具有重要的效果和戰略地位。

1.1.2 鈦合金的分類

鈦有 α-Ti 和 β-Ti 兩種同素異構體，其 β 改變溫度為 882。5℃，α-Ti 為密排六方結構，在 882。5℃以下安穩存在，在 882。5℃以上為 β-Ti 具有體心立方結構。鈦合金按合金的相安排和 β 安穩元素含量可以分為三類：α 型鈦合金、α+β 型鈦合金、β 型鈦合金。

（1）α 型鈦合金。經過退火處理後合金安排為單質 α 安排的鈦合金稱為 α 型鈦合金。α 安穩元素和錫、鋁、鋯等中性元素為 α 型鈦合金的合金主要元素，β 安穩元素的含量微乎其微。其 β 相的改變溫度較高，安排安穩，耐熱性較好，焊接功能優異，可是強度很低，且經過熱處理不可以來改進資料功能。

（2）α+β 型鈦合金。退火空冷後顯微安排為 α+β 稱為 α+β 型鈦合金。該合金的綜合功能較好，熱加工工藝性好，可以經過熱處理對其強化，與 α 型鈦合金相比強度較高，可是安排不夠安穩。

（3）β 型鈦合金。當 β 安穩元素含量到達 17%時該合金被稱為亞安穩 β 合金，當含量持續新增到達 30%時被稱為安穩 β 型鈦合金。β 型鈦合金的室溫強度比較高，是發展高強度鈦合金潛力最大的合金，但其在高溫狀態下安排不安穩，只能在 300℃以下工作，焊接功能也比較差，這大大限制了該合金的使用。

1.1.3 鈦合金的熱處理

熱處理是一種經過將試樣經過加熱、保溫、冷卻後改變試樣內部顯微安排和功能的加熱工藝。鈦合金的力學功能與鈦合金顯微安排中各相的描摹尺度、百分含量、擺放情況有關。選用不同的熱處理工藝會對鈦合金試樣內部的顯微安排發生影響使其發生差異，從而進一步影響鈦合金試樣的力學功能。退火和固溶時效是鈦合金熱 處理工藝使用較為廣泛的兩種，其間退火工藝包括去應力退火、徹底退火和兩層退火等。

去應力退火又被稱作不徹底退火，其意圖是經過退火處理削減在堆積成形程序中試樣內部發生的內應力避免試樣呈現變形和開裂，退火溫度通常在 450~650℃之間；徹底退火也叫做再結晶退火，經過徹底退火後鈦合金除了可以發生再結晶程序，還可以使顯微組織中各相的組成、含量和描摹發生變化，退火溫度通常在（α+β）/β 相變點以下 120~200℃之間；兩層退火意圖為改進 α+β 鈦合金的安排安穩性、塑性及斷裂韌性，兩層退火分為兩次加熱、保溫和空冷程序，第一次加熱溫度通常在（α+β）/β 相變點以下 20~160℃之間，而第2次加熱溫度通常在（α+β）/β 相變點以下 300~450℃之間。

1.2 電弧增材製作技能

1.2.1 金屬增材製作技能原理及概況

增材製作的原理為依據在三維軟體上取得的 CAD 資料模型進行切片處理，將三維模型轉換成二維截面，經過熱源對二維截面進行逐層掃描，使用逐層累積的辦法成形出實體零件。與傳統的減材技能相比，增材製作技能歸於一種“自下而上”的製作辦法，它涉及 CAD 技能、分層製作技能、數控技能、逆向工程技能、資料學、鐳射、焊接等方面。相對於傳統的製作技能，增材製作技能具有柔性高、無模具、週期短、不受零件結構和資料限制等一系列長處，在航天航空、轎車、電子、醫療、軍工等範疇得到了廣泛使用。

在 20 世紀 90 時代中期，對鐳射近淨成形制作技能（Laser engineered net shaping，LENS）進行了研討，經過選用固體鐳射器和同步送粉體系，對金屬零件進行的堆積製作和修正；使用電子束製作技能（Electric beam melting，EBM）開宣佈利用金屬粉末可直接製作出徹底細密零件的自在成形技能；國內發展出鐳射立體成形技能（Laser solid forming，LSF），經過進行很多的工藝成形試驗對鈦合金、不鏽鋼和高溫合金等不同資料的工藝特性、顯微安排、力學功能進行了研討，可以製備出形狀較為雜亂的金屬零件，成形零件外表平坦而且內部沒有缺陷；

1.2.3 國內外電弧增材製作技能研討現狀

電弧增材直接製備金屬件的思維最早起源於 1983 年，使用埋弧焊辦法制作了大型圓柱厚壁容器，發現試樣具有良好的抗拉強度、屈服強度和韌性。上世紀 80 時代末，隨同增材製作技能的呈現，科研人員開始將焊接與增材思維聯絡到一起發生了電弧增材製作技能並敏捷成為研討熱點。

採用 GMAW 三維焊接成型（3D Welding） 辦法，經過六軸工業機器人和 GMAW 工藝成形出金屬零件，使用溫度操控裝置檢測零件外表溫度進而操控焊接熱輸入，減小零件外表的粗糙度，並剖析了成形件的安排和剩餘應力。使用 TIG 製備了4043 鋁合金單道多層試樣，研討了焊接電流、送絲速度、焊接速度、電弧長度對 4043鋁合金成形的影響，發現熱輸入會對安排發生較大的影響。

使用鎢極氬弧焊和 CMT 辦法對 TC4 鈦合金的堆焊成型工藝進行了研討，發現與 CMT 辦法相比，脈衝鎢極氬弧焊可以顯著細化晶粒。經過鐳射堆積製作技能和電弧增材製作技能對比研討了兩種增材試樣的安排和剩餘應力，發現在電弧增材試樣內部安排的晶粒愈加粗化而且熱影響區的範圍較大，β 柱狀晶的生長方向歪斜，電弧增材試樣內部的剩餘應力值較大。使用有限元剖析辦法對電弧增材製作技能製備的試樣進行模仿，建立的有限元模型可以準確預測電弧增材程序中的加熱和冷卻迴圈，所得到的模仿成果與在試驗程序中測量的成果一致。

整體保護使用 TIG 製備了 TC4 鈦合金單道多層試樣，研討了TC4 鈦合金成型工藝和力學功能，發現試樣上部為針狀魏氏安排，下部為粗大片層狀魏氏安排，且試樣的力學功能存在各向異性。選用區域性保護使用 TIG 製備了 TC4 鈦合金單道多層試樣，研討了 TC4 鈦合金力學功能，發現試樣微觀安排為 β 柱狀晶粒。

試樣上部為針狀的魏氏安排，下部為粗大的魏氏安排，試樣的力學功能具有各向異性。使用送絲式鐳射增材製作技能和電弧增材製作技能分別製備了 TC4 鈦合金單道多層試樣，研討了 TC4 鈦合金零件不同安排和力學功能，發現試樣的力學功能均具有各向異性，鐳射增材製作具有較高的強度和較低的塑性。

鐳射選區熔化技能和電弧增材製作技能複合製作辦法制備了 TC4鈦合金多道多層試樣，研討了 TC4 鈦合金安排和力學功能，發現試樣構成細密冶金結合，試樣斷裂在 WAAM 區域，SLM 試件的力學功能略微高於 WAAM 的力學功能，而SLM-WAAM 試件中堆積方向的力學功能高於焊接方向的力學功能。

利用 TIG 製備了 TC4 鈦合金單道多層試樣，研討了不同堆積效率對 TC4 鈦合金功能的影響，發現當堆積效率較低時，試樣的 β 柱狀晶尺度較大，力學功能較低。將電弧增材製作技能與軋製相結合，在試樣每一層上用滾輪進行軋製，發現軋製後能使試樣的晶粒細化，消除試樣的各向異性和剩餘應力，削減試件變形。使用 TIG 製備了單道多層試樣，研討了微量硼對電弧增材製作 TC4 功能的影響，發現新增微量硼能使 β 柱狀晶愈加細長，消除力學功能的各向異性，進步試樣的塑性。