TC4钛合金与316L不锈钢异质材料选区激光熔化连接研究

• 作 者: 陈成
• 出 处: 北京理工大学
• 发表日期: 2017年01期
• 关键词: 异质材料 选区激光熔化 钛合金 不锈钢

钛/钢异质金属连接件综合钛钢各自的性能优势且互相弥补了单相的不足,具有十分优异的综合性能。其在石化工程、海洋工程以及医疗等领域应用十分广泛。传统钛/钢异质材料结构件常采用焊接方法制造,但是各种焊接方法都存在焊接温度过高、焊接变形过大、内应力大,焊接裂纹等问题,因此需要一种新兴的技术克服以上问题。选区激光熔化技术的兴起为钛/钢异质材料连接提供了新思路。由于制造过程中形成熔池小,冷却速度快,选取激光熔化技术制备的异质材料接头具有制造精度高、熔合区域窄、热影响区小等优点,能够有效地细化晶粒,降低基体材料变形,提高结合强度,获得冶金结合良好,力学性能高的异质金属连接件。本文以TC4钛合金和316L不锈钢为材料进行钛/钢选区激光熔化连接的研究。从单一材料的选区激光熔化成型工艺入手,按照粉末粒度分析、单道试验、多层试验的步骤进行试验,通过光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）等对获得的试样进行表征,总结了各种工艺参数如激光功率,铺粉层厚,扫描速度,扫描间距的变化对成型件表面质量、致密度、内部组织以及力学性能的影响,并分别得出五组理想的工艺参数组合。在此基础上,本文进行了TC4钛合金和316L不锈钢选区激光熔化研究。试验中严格控制氧气含量,并将基板预热到200°C,以减少热应力的累积。通过观察异质接头的显微组织,可以发现连接界面的金属间化合物层以等轴晶为主;而在316L不锈钢区,沿着堆积方向,显微组织主要为柱状晶到等轴晶的转变。同时,本文采用X射线衍射法进行接头处的物相分析,结果发现金属间化合物有Fe₂Ti、FeTi、FeAl₂、TiC、Ti₃Al、NiTi、σ-（FeCr）。这些金属间化合物的存在严重降低了接头处的力学性能,使接头脆化严重。最后,本文深入分析裂纹缺陷的产生机理。裂纹的产生和延伸的原因主要有三点:低熔点金属元素的流失、金属间化合物以及两种材料热物理性能差异导致的残余应力。