摘要
TC4（Ti-6Al-4V）钛合金是一种典形的（α+β）两相钛合金，具有优良的综合力学性能和耐蚀性，广泛应用于航空航天、舰艇船舶、生物医疗等领域。由于目前大型复杂钛合金结构快速制造的需求迫切，传统的“铸造、锻造、切割”等传生产方材料浪费较多且生产周期较长，已不能满足现在快速制造的需求，因此增材制造这种既有较高制造灵活性又能减少材料浪费的创新TC4合金制造方法应运而生。本课题将激光-电弧复合增材制造(LAHAM)技术应用到TC4钛合金薄壁墙体的制备中，通过激光束与电弧之间的耦合作用熔化TC4钛合金丝材进行沉积增材制造，开展了激光-电弧复合增材制造的工艺研究和组织性能调控，主要结论如下： 首先研究了不同工艺参数对激光-电弧复合增材制造单道单层沉积层的影响，结果表明：当激光功率P=1.5-2.0kW，送丝速度在Vf=6.0-7.0m/min，扫描速度在Vs=0.5-0.7m/min，离焦量Δ?=+10mm,光丝间距为DLA=+2mm时，激光与电弧耦合效果良好，扫描过程稳定，所得沉积层宽高比大，稀释率低，有利于单道多层薄壁墙体的沉积增材制造。采用优化的工艺进行了单道多层不同厚度薄壁墙体的制备，结果表明：工艺参数匹配良好，成形过程稳定，薄壁墙体表面光滑，无明显飞溅，气孔，裂纹等缺陷。薄壁墙体沉积层平均宽度为6.07-7.47mm，平均高度为1.40-1.93mm，宽高比最高可达4.98，材料沉积利用率MDE最高可达93.79％。 其次，为了探究LAHAM工艺参数对薄壁墙体组织及性能的影响，采用多尺度表征方法，研究了不同参数对薄壁墙体微观组织的影响，测试了薄壁墙体的力学性能，建立了“工艺参数-组织-力学性能”之间的联系。结果表明：LAHAM单道多层薄壁墙体组织状态主要由贯穿多个沉积层明暗交织呈外延生长的粗大原始β柱状晶构成，晶内主要是针状α''马氏体和层片状的α+β组织。随着热输入的增大，针状α''相最先在β晶界析出并向晶界内部生长，形成魏氏组织。墙体顶部主要以针状马氏体α''和少量片状α相组成，薄壁墙体中部的微观结构由交叉的片状α组织形成的交织网状结构和交织的层状α组织形成的魏氏组织组成，底部的微观结构主要由α团簇和交织的针状马氏体α''组成。 最后为了优化LAHAM增材后的TC4钛合金薄壁墙体的组织性能，采取“固溶+时效”的热处理方法对其进行组织性能调控。研究了不同固溶温度及冷却方式下沉积墙体微观组织的演变规律，提升了其综合力学性功能。研究结果表明：经过热处理后的墙体，虽然仍就保持β柱状晶，但晶内魏氏组织分解，组织形貌更加均匀，且主要以网篮状组织为主。经过热处理后，相较于原始沉积状态下，LAHAMTC4合金中的β相显著增加，综合力学性能明显提升，采用950℃/1h，AC+540℃/6h，AC的热处理工艺后，LAHAMTC4合金抗拉强度和硬度提高最多，与未经热处理的LAHAMTC4合金薄壁墙体相比，抗拉强度提高了15.4%，硬度提高了12.5%。微观结构的细化，α相和β相的分布更均匀。
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