Das Team von Professor Liu Jing an der Wuhan University of Science and Technology: Die Auswirkung der additiven Drahtlichtbogenfertigung auf das Ermüdungsverhalten der Ta15-Titanlegierung

Die Titanlegierung TA15 (Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V) ist eine mittelfeste Titanlegierung vom nahezu α-Typ mit hohem Aluminiumgehalt, die in der Luft- und Raumfahrttechnik und anderen Bereichen weit verbreitet ist. Da die für Flugzeuge benötigten Komponenten immer komplexer werden, schränken traditionelle Schmiedemethoden die Entwicklung und Verwendung komplexer Teile ein. Mit der Wire-Arc-Additive-Manufacturing-Technologie (WAAM) können feine und komplexe Strukturteile direkt hergestellt werden. Die Luft- und Raumfahrtbranche misst ihr große Bedeutung bei und Forscher haben viel Forschung dazu betrieben. In der Praxis ändert sich der Flugzustand des Flugzeugs ständig und auch die Belastung der Komponenten ändert sich ständig. Unter wechselnder Belastung ist Ermüdungsversagen eine der wesentlichen Unfallursachen. Daher hat die Erforschung der Ermüdungseigenschaften der durch additive Drahtlichtbogenfertigung hergestellten Titanlegierung TA15 eine wichtige Orientierungsbedeutung und einen wichtigen Anwendungswert in praktischen Anwendungen.

Derzeit ist die Forschung zu den mechanischen Zugeigenschaften und Ermüdungseigenschaften der Titanlegierung TA15 relativ umfangreich. LIU Y et al. untersuchten die laseradditive Fertigung der TA15-Ti2AlNb-Legierung und stellten fest, dass nach dem Glühen eine feine korbartige Struktur erhalten wurde. Leistung. Ren Yuhang et al. untersuchte das Ausbreitungsverhalten von Ermüdungsrissen der laserabgeschiedenen TA15-Titanlegierung und stellte fest, dass die Struktur nach der Wärmebehandlung eine Korbstruktur ist und der Wachstumspfad der Ermüdungsrisse gewunden ist, hauptsächlich parallel oder senkrecht zur Ausbreitung des α-Blechs, und dass eine große Anzahl sekundärer Risse auftritt. Der Rohstoff für das selektive Laserschmelzen ist Pulver und die Wärmequelle ist ein Laser, während der Rohstoff für die additive Fertigung mit Drahtlichtbogen Drahtmaterial ist und die Wärmequelle ein Lichtbogen ist. SZOST BA et al. untersuchte die Mikrostruktur der durch das WAAM-Verfahren hergestellten Ti-6Al-4V-Legierung und stellte fest, dass am Boden des Schmelzbades grobe säulenförmige β-Körner gefunden wurden, die die mechanischen Eigenschaften des Materials erheblich beeinträchtigten, während die feinen β-Körner und die nadelförmige Struktur die mechanischen Eigenschaften des Materials verbesserten. Um die Anisotropie der mechanischen Eigenschaften zu kontrollieren, die durch die groben ursprünglichen β-Körner verursacht wird, haben DONOGHUE J et al. Dem WAAM-Prozess wurde das In-situ-Walzen hinzugefügt, wodurch nur die ursprünglichen β-Körner erheblich verfeinert und die umfassenden mechanischen Eigenschaften des Materials verbessert werden können. Li S et al. erhielten die nadelartige Korbstruktur der Titanlegierung TA15 bei 990 °C für 1 Stunde und wurden dann luftgekühlt. Es wurde festgestellt, dass die Lamellenstruktur bei einem Spannungsverhältnis R = 0,1 einen höheren Widerstand gegen Ermüdungsrisswachstum aufweist als die Zweizustandsstruktur. Wenn sich der Riss in der Lamellenstruktur ausbreitet, ist der Weg gewundener und die Dual-State-Struktur besteht aus zwei Formen der α-Phase, nämlich der gleichachsigen Struktur und der Lamellenstruktur, die gleichmäßig verteilt sind.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass unterschiedliche Prozesse und Wärmebehandlungen zu unterschiedlichen Mikrostrukturen führen, was zu Veränderungen der mechanischen Eigenschaften und Ermüdungseigenschaften von TA15-Titanlegierungen führen wird. Die Titanlegierung TA15 ist eine wichtige Legierung für Luft- und Raumfahrtanwendungen, und es gibt nur wenige Studien zu den Ermüdungseigenschaften ihrer additiven Drahtlichtbogenfertigung.

Das Team von Professor Liu Jing von der Wuhan University of Science and Technology veröffentlichte den Artikel „Der Einfluss des Spannungsniveaus auf das Ermüdungsverhalten der TA15-Titanlegierung, hergestellt durch additive Fertigung mit Drahtlichtbogen“ in der Zeitschrift „Special Casting and Nonferrous Alloys“ in Band 42, Ausgabe 12, 2022. In diesem Artikel wurden die Ermüdungsleistung und das Ermüdungsbruchversagensverhalten der getemperten TA15-Legierung in-situ untersucht Walzdraht-Lichtbogenadditive Fertigung der TA15-Legierung. Die Ergebnisse zeigen, dass die Walz- und Längsmikrostrukturen der geglühten TA15-Legierung von Korbmikrostrukturen dominiert werden, die durch überlappende α/β-Bleche gebildet werden, und dass lokal eine gleichachsige Kornverteilung vorliegt. Durch Anpassen der SN-Kurve beträgt die Ermüdungsgrenze σf der Titanlegierung TA15 311 MPa. Der Bruch der Probe umfasst den Quellbereich des Ermüdungsrisses, den Bereich des Ermüdungsrisswachstums und die Übergangsbruchzone. Die Risse entstehen alle von der Oberfläche aus. Gleichzeitig gibt es in der Rissausbreitungszone eine große Anzahl von Ermüdungsstreifen und Sekundärrissen, und die Übergangsbruchzone besteht aus gleichachsigen Grübchen. , zeigt typische Quasi-Spaltungs-Brucheigenschaften. Unter geringer zyklischer Belastung breitet sich der Riss hauptsächlich durch oder entlang der α/β-Lamellenstruktur aus, und der Rissausbreitungsweg ist länger; Unter hoher zyklischer Belastung beginnt sich der Riss entlang der ursprünglichen β-Korngrenze auszubreiten, und der sekundäre Rissausbreitungsweg ist kürzer. Kurz, aber zahlreich. Ermüdungsrisse neigen dazu, sich entlang relativ schwacher Stellen im Gewebe auszubreiten, und es gibt Rissverzweigungen um die sekundären Risse herum.

【Testmaterialien und -methoden】

Als Rohmaterial wird TA15-Titanlegierungsdraht ausgewählt, und der Abscheidungsprozess wird auf einem maßgeschneiderten Flachwalzwerk durchgeführt. Das gesamte System wird von einem Computer gesteuert und die Rolle rollt auf der Oberfläche der Probe zusammen mit dem Lichtbogen am vorderen Ende entsprechend der durch das Lichtbogensignal vorgegebenen Flugbahn. Die chemischen Eigenschaften der Probe und die Inhaltsstoffe sind in Tabelle 1 aufgeführt. Die Größe der vorbereiteten Platte beträgt 180 mm × 160 mm × 8 mm, wie in Abbildung 1a dargestellt. Die Wärmebehandlung erfolgte in einem Vakuumofen mit inertem Schutzgas, der Glühvorgang dauerte 800 °C × 40 min und Luftkühlung. Die Phasenanalyse der TA15-Probe wurde mit dem wellenlängendispersiven Röntgenfluoreszenzspektrometer ZSXPrimus IV mit einem langsamen Sweep von 2° durchgeführt. Die Streckgrenze der Probe wurde mit 891 MPa gemessen und die Dehnung betrug 12 %. Proben wurden entlang der X-Richtung auf der XOY-Ebene entnommen und die Größe der Ermüdungsprobe ist in Abbildung 1b dargestellt. Der Ermüdungstest wurde auf der Ermüdungsprüfmaschine INSTRON 8801 durchgeführt. Es wurden fünf Gruppen unterschiedlicher Belastung ausgewählt und bei trockener Raumtemperatur durchgeführt. Es wurde eine Sinuswellenbelastung angenommen, das Spannungsverhältnis R = 0,1 und die Belastungsfrequenz f = 15 Hz. Schneiden Sie die metallografische Probe in der Nähe der Bruchfläche ab und beobachten Sie die Mikrostruktur. Anschließend legen Sie die Probe ein, schleifen und polieren sie und verwenden Sie Kroll-Ätzmittel (Volumenverhältnis HF-HNO3-H2O 1:6:7) zur Korrosion. Zur Beobachtung der Mikrostruktur wurde ein abbildendes optisches Mikroskop Axioplan 2 von Zeiss verwendet, und zur Beobachtung der Mikrostruktur der Probe, der Ermüdungsbruchmorphologie und des Rissausbreitungspfads sowie zur Analyse des Ermüdungsbruchmechanismus wurde ein Nova 400 Nano-Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop mit Röntgenenergiedispersionsanalyse (EDS) verwendet.

Abbildung 1 WAAM formt die Originalplatte aus TA15-Titanlegierung

【Grafische Ergebnisse】

Das Spektrum der Titanlegierung TA15 zeigt hauptsächlich Peaks im Zusammenhang mit der hexagonal dicht gepackten (hcp-Ti) Kristallstruktur, die alle α-Phasen sind, und es gibt Peaks, die Hochtemperatur-β-Phasen der kubisch raumzentrierten Phase (bcc) mit geringer Peakintensität entsprechen.

Abb. 2: XRD-Beugungsmuster einer getemperten Probe aus einer TA15-Titanlegierung, hergestellt durch WAAM

Nach dem Glühen weist die durch WAAM gebildete TA15-Titanlegierung hauptsächlich eine korbartige Lamellenstruktur auf, und gleichzeitig sind einige gleichachsige Körner aggregiert und im gleichen ursprünglichen β-Korn verteilt.

Abb.3 Metallografische Mikrostruktur einer getemperten TA15-Titanlegierung, hergestellt durch WAAM

(a) Längsrichtung (b) Rollend zu (c) An 1 Stelle vergrößert (d) An 2 Stellen vergrößert

(a) Ursprüngliche β-Körner (b) Lamellenstruktur (c) Inhomogene Struktur (d) Gleichachsige Körner

Abb. 4: Gewalzte REM-Mikrostruktur einer WAAM-geformten TA15-Titanlegierung im geglühten Zustand

(a) Lamellenstruktur (b) Mo-Element (c) V-Element (d) Ti-Element (e) Al-Element (f) Zr-Element

Abb. 5 Lamellenstruktur und EDS-Analyse einer durch WAAM hergestellten getemperten TA15-Titanlegierung

Normalerweise kann durch Verformung im α+β-Zweiphasenbereich eine gleichachsige Struktur erhalten werden, und durch anschließendes Rekristallisationsglühen über dem Zweiphasenbereich kann eine Titanlegierung mit einer Zweizustandsstruktur erhalten werden, die eine bessere Festigkeit und Plastizität aufweist. Im Vergleich zur Zweizustandsstruktur weist die TA15-Legierung mit Lamellenstruktur jedoch eine höhere Ermüdungsgrenze auf, was mit der höheren Beständigkeit der Lamellenstruktur gegen Ermüdungsrisswachstum zusammenhängt. Die kleineren ursprünglichen β-Körner und die feine Lamellenstruktur in der Probe können die Ermüdungsfestigkeit der Titanlegierung verbessern, eine höhere Streckgrenze und die Fähigkeit erzielen, dem Wachstum von Ermüdungsrissen zu widerstehen. Die von WAAM hergestellte TA15-Titanlegierung ist eine typische Titanlegierung vom nahezu α-Typ mit hoher thermischer Stabilität und deutlich verbesserter Ermüdungsfestigkeit im Vergleich zur herkömmlichen gegossenen TA15-Legierung. Durch Untersuchungen wurde festgestellt, dass die durch Laserabscheidung und traditionelle Schmiedeverfahren hergestellte Titanlegierung TA15 eine relativ hohe Ermüdungsgrenze (200–650 MPa) aufweist, Laserabscheidung jedoch nur kleine Komponenten herstellen kann, während herkömmliches Schmieden komplexe, große Komponenten nicht gut herstellen kann. Wenn die Betriebstemperatur 400–500 °C erreicht, sind die Leistungsvorteile der Titanlegierung TA15 offensichtlich und die Festigkeit wird verbessert.

Abb.6 Ermüdungs-Wöhlerkurven der Titanlegierung TA15 im geglühten Zustand, erstellt durch WAAM

Mit abnehmender Belastung treten im Bruch der Titanlegierung TA15 zahlreiche Sekundärrisse auf, und die Ermüdungsstreifen nehmen allmählich zu, der Abstand nimmt ab und die Verlängerung der Lebensdauer spiegelt sich hauptsächlich in der Vergrößerung der Ermüdungsrissquellenfläche und der Rissausbreitungsfläche wider.

Der Bruch wird in eine Ermüdungsriss-Quellenzone, eine Ermüdungsriss-Wachstumszone und eine Übergangsbruchzone unterteilt. Unter geringer zyklischer Belastung breitet sich der Riss hauptsächlich durch oder entlang der Lamellenstruktur aus, und der sekundäre Rissausbreitungsweg ist lang und gewunden; Unter hoher zyklischer Belastung beginnt sich der Riss entlang der ursprünglichen β-Korngrenze auszubreiten, und der Ausbreitungspfad des sekundären Risses ist relativ langsam. Kurz, aber von hoher Anzahl. Diese sekundären Risse können mit der Zeit die Energie der Rissspitze verbrauchen und die Ermüdungsrisswachstumsrate der Titanlegierung TA15 effektiv verzögern.

Abb.7 Ermüdungsbruchmorphologie der TA15-Titanlegierung im geglühten Zustand, geformt durch WAAM

(a) 800 MPa (b) 668 MPa (c) 490 MPa

Abb.8 Bruchmorphologie der Ermüdungsquellenzone im geglühten Zustand der durch WAAM geformten TA15-Titanlegierung

(a) 668 MPa (b) Vergrößert bei A (c) 579 MPa (d) Vergrößert bei B

Abb.9 Bruchmorphologie der Ermüdungsrissausbreitungszone im geglühten Zustand der durch WAAM gebildeten TA15-Titanlegierung

(a) 757 MPa, (b) 668 MPa, (c) 579 MPa, (d) 490 MPa (e) langer Sekundärriss (f) kurzer Sekundärriss

Abb. 10 Bruchmorphologie der durch WAAM gebildeten transienten Ermüdungsbruchzone der Titanlegierung TA15 im geglühten Zustand

(a) 757 MPa, (b) 668 MPa, (c) 490 MPa

Abb. 11 Morphologie der Rissausbreitungszone auf der Ermüdungsbruchseite der durch WAAM geformten TA15-Titanlegierung im geglühten Zustand

(a) Der Hauptriss verläuft durch die Lamellenstruktur, 490 MPa (b) Der Hauptriss breitet sich entlang der β-Korngrenze aus, 668 MPa (c) Der Hauptriss wird abgelenkt und rissverzweigt, 490 MPa (d) Der Risszweig, 668 MPa (e) Der Hauptriss wird abgelenkt und Sekundärriss, 490 MPa (f) Der Hauptriss breitet sich entlang der Lamellenstruktur und dem Sekundärriss aus, 490 MPa

(a) Geringe zyklische Belastung, (b) Hohe zyklische Belastung

Abb. 12 Schematische Darstellung des Ermüdungsrisswachstumsmechanismus der durch WAAM geformten TA15-Titanlegierung im geglühten Zustand