تیم پروفسور لیو جینگ در دانشگاه علم و صنعت ووهان: تأثیر تولید افزودنی قوس سیمی بر رفتار خستگی آلیاژ تیتانیوم Ta15

آلیاژ تیتانیوم TA15 (Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V) یک آلیاژ تیتانیوم با مقاومت متوسط ​​از نوع تقریبا α با محتوای آلومینیوم بالا است که به طور گسترده در فناوری هوافضا و سایر زمینه ها استفاده شده است. با پیچیده تر شدن اجزای مورد نیاز هواپیما، روش های آهنگری سنتی توسعه و استفاده از قطعات پیچیده را محدود می کند. فناوری ساخت افزودنی قوس سیمی (WAAM) می تواند به طور مستقیم قطعات ساختاری ظریف و پیچیده را تولید کند. حوزه هوافضا اهمیت زیادی برای آن قائل است و محققان تحقیقات زیادی در مورد آن انجام داده اند. در کاربردهای عملی، وضعیت پرواز هواپیما دائماً در حال تغییر است و فشار وارده بر اجزا نیز همواره در حال تغییر است. در حالت بار تنش متناوب، شکست خستگی یکی از دلایل مهم منجر به حوادث است. بنابراین، تحقیق در مورد خواص خستگی آلیاژ تیتانیوم TA15 تولید شده توسط تولید افزودنی قوس سیمی دارای اهمیت راهنما و ارزش کاربردی در کاربردهای عملی است.

در حال حاضر، تحقیقات بر روی خواص مکانیکی کششی و خواص خستگی آلیاژ تیتانیوم TA15 نسبتاً گسترده است. LIU Y و همکاران تولید افزودنی لیزری آلیاژ TA15-Ti2AlNb را مورد مطالعه قرار داد و دریافت که پس از بازپخت، یک ساختار سبد مانند به دست آمد. عملکرد رن یوهانگ و همکاران رفتار انتشار ترک خستگی آلیاژ تیتانیوم TA15 رسوب‌شده با لیزر را مطالعه کرد و دریافت که ساختار پس از عملیات حرارتی یک ساختار سبد است و مسیر رشد ترک خستگی پرپیچ‌وخم است، عمدتاً موازی یا عمود بر انتشار ورق α است و تعداد زیادی ترک ثانویه ظاهر می‌شود. ماده اولیه ذوب انتخابی لیزر پودر و منبع گرما لیزر است، در حالی که ماده اولیه تولید افزودنی قوس سیمی مواد سیم است و منبع گرما قوس الکتریکی است. SZOST BA و همکاران. ریزساختار آلیاژ Ti-6Al-4V تولید شده توسط فرآیند WAAM را مورد مطالعه قرار داد و دریافت که دانه های ستونی درشت بتا در کف حوضچه مذاب یافت شد که به طور جدی بر خواص مکانیکی ماده تأثیر گذاشت، در حالی که دانه های β ریز و ساختار سوزنی باعث بهبود خواص مکانیکی ماده می شود. به منظور کنترل ناهمسانگردی خواص مکانیکی ناشی از دانه های درشت β اصلی، DONOGHUE J و همکاران. نورد درجا به فرآیند WAAM اضافه شده است، که می تواند به طور قابل توجهی فقط دانه های β اصلی را اصلاح کند و خواص مکانیکی جامع مواد را بهبود بخشد. لی اس و همکاران ساختار سبد سوزنی مانند آلیاژ تیتانیوم TA15 را در دمای 990 درجه سانتیگراد به مدت 1 ساعت بدست آورد و سپس با هوا خنک کرد. مشخص شد که وقتی نسبت تنش R=0.1، ساختار لایه‌ای مقاومت بیشتری در برابر رشد ترک خستگی نسبت به ساختار دو حالته دارد. و هنگامی که ترک در ساختار لایه‌ای منتشر می‌شود، مسیر پرپیچ‌وخم‌تر است و ساختار دو حالته از دو شکل فاز α، یعنی ساختار هم محور و ساختار لایه‌ای تشکیل شده است که به طور مساوی توزیع شده‌اند.

به طور خلاصه، فرآیندهای مختلف و عملیات حرارتی باعث ایجاد ریزساختارهای متفاوتی می شود که منجر به تغییر در خواص مکانیکی و خواص خستگی آلیاژهای تیتانیوم TA15 می شود. آلیاژ تیتانیوم TA15 یک آلیاژ مهم برای کاربردهای هوافضا است و مطالعات کمی در مورد ویژگی های خستگی تولید افزودنی قوس سیمی آن وجود دارد.

تیم پروفسور لیو جینگ از دانشگاه علم و صنعت ووهان مقاله "تأثیر سطح استرس بر رفتار خستگی آلیاژ تیتانیوم TA15 تولید شده توسط تولید افزودنی قوس سیمی" را در مجله "Special Casting and Nonferrous Alloys" در جلد 42، شماره 2022، عملکرد چربی در این مقاله منتشر کرد. رفتار شکست شکست آلیاژ TA15 آنیل شده توسط درجا مورد بررسی قرار گرفت تولید افزودنی قوس سیم نورد از آلیاژ TA15. نتایج نشان می‌دهد که ریزساختارهای نورد و طولی آلیاژ TA15 آنیل شده توسط ریزساختارهای سبد تشکیل شده توسط ورق‌های α/β با هم تداخل دارند و توزیع دانه‌های هم محور به صورت محلی وجود دارد. با برازش منحنی SN، حد خستگی σf آلیاژ تیتانیوم TA15 311 مگاپاسکال است. شکست نمونه شامل ناحیه منبع ترک خستگی، ناحیه رشد ترک خستگی و ناحیه شکست گذرا است. ترک ها همه از سطح شروع می شوند. در عین حال، تعداد زیادی خطوط خستگی و ترک های ثانویه در ناحیه انتشار ترک وجود دارد و ناحیه شکست گذرا از فرورفتگی های هم محور تشکیل شده است. ، ویژگی های شکستگی شبه برش معمولی را نشان می دهد. تحت تنش چرخه‌ای کم، ترک عمدتاً از طریق یا در امتداد ساختار لایه‌ای α/β منتشر می‌شود و مسیر انتشار ترک طولانی‌تر است. تحت تنش چرخه‌ای بالا، ترک در امتداد مرز دانه β اصلی شروع به انتشار می‌کند و مسیر انتشار ترک ثانویه کوتاه‌تر است. کوتاه اما در تعداد زیاد. ترک های خستگی تمایل به انتشار در امتداد موقعیت های نسبتا ضعیف در بافت دارند و شاخه های ترک در اطراف ترک های ثانویه وجود دارد.

【مواد و روش های آزمایش】

سیم آلیاژ تیتانیوم TA15 به عنوان ماده خام انتخاب می شود و فرآیند رسوب در یک آسیاب نورد تخت سفارشی انجام می شود. کل سیستم توسط یک کامپیوتر کنترل می شود و رول روی سطح نمونه همراه با قوس در قسمت جلویی مطابق با مسیر مشخص شده توسط سیگنال قوس الکتریکی می چرخد. خواص شیمیایی نمونه مواد تشکیل دهنده در جدول 1 نشان داده شده است. عملیات حرارتی در یک کوره خلاء با یک گاز محافظ بی اثر انجام شد، فرآیند بازپخت 800 درجه سانتیگراد × 40 دقیقه و خنک کننده هوا بود. تجزیه و تحلیل فاز نمونه TA15 توسط طیف‌سنج فلورسانس پرتو ایکس پراکنده با طول موج ZSXPrimus IV با جاروب آهسته 2 درجه انجام شد. استحکام تسلیم نمونه 891 مگاپاسکال و ازدیاد طول 12 درصد اندازه گیری شد. نمونه ها در امتداد جهت X در صفحه XOY گرفته شد و اندازه نمونه خستگی در شکل 1b نشان داده شده است. تست خستگی بر روی دستگاه تست خستگی INSTRON 8801 انجام شد. پنج گروه با سطوح مختلف تنش انتخاب و در دمای اتاق خشک انجام شد. بارگذاری موج سینوسی، نسبت تنش R=0.1 و فرکانس بارگذاری f=15Hz اتخاذ شد. نمونه متالوگرافی را نزدیک سطح شکست برش دهید و ریزساختار را مشاهده کنید، سپس نمونه را از قبل آسیاب و صیقل دهید و از اچانت کرول (نسبت حجمی HF-HNO3-H2O 1:6:7) برای خوردگی استفاده کنید. یک میکروسکوپ نوری تصویربرداری Zeiss Axioplan 2 برای مشاهده ریزساختار و یک میکروسکوپ الکترونی روبشی تابش میدان نانو Nova 400 مجهز به تجزیه و تحلیل پراکندگی انرژی اشعه ایکس (EDS) برای مشاهده ریزساختار نمونه، مورفولوژی شکست خستگی و مسیر انتشار ترک و تجزیه و تحلیل مکانیسم شکست خستگی استفاده شد.

شکل 1 WAAM که دال اصلی آلیاژ تیتانیوم TA15 را تشکیل می دهد

【نتایج گرافیکی】

طیف آلیاژ تیتانیوم TA15 عمدتاً قله‌های مربوط به ساختار کریستالی بسته شش ضلعی نزدیک (hcp-Ti) را نشان می‌دهد که همگی فازهای α هستند و پیک‌هایی مربوط به فازهای β با دمای بالا مکعب مرکزی بدن (bcc) با شدت پیک پایین وجود دارد.

شکل 2 الگوی پراش XRD نمونه آنیل شده با آلیاژ تیتانیوم TA15 تشکیل شده توسط WAAM

پس از بازپخت، آلیاژ تیتانیوم TA15 که توسط WAAM تشکیل شده است، عمدتاً یک ساختار لایه‌ای سبد مانند است و در عین حال، برخی از دانه‌های هم محور انباشته شده و در همان دانه β اصلی توزیع می‌شوند.

شکل 3 ریزساختار متالوگرافی آلیاژ تیتانیوم TA15 آنیل شده توسط WAAM

(الف) طولی (ب) نورد به (ج) بزرگ شده در 1 مکان (د) بزرگ شده در 2 مکان

(الف) دانه های β اصلی (ب) ساختار لایه ای (ج) ساختار ناهمگن (د) دانه های هم محور

شکل 4 ریزساختار نورد SEM از WAAM آلیاژ تیتانیوم TA15 در حالت آنیل شده تشکیل شده است.

(الف) ساختار لایه ای (ب) عنصر Mo (ج) عنصر V (د) عنصر Ti (ه) عنصر Al (f) عنصر Zr

شکل 5 ساختار لایه ای و تجزیه و تحلیل EDS آلیاژ تیتانیوم TA15 آنیل شده تشکیل شده توسط WAAM

معمولاً تغییر شکل در ناحیه دو فاز α+β می‌تواند یک ساختار هم محور به دست آورد و سپس با بازپخت مجدد کریستالیزاسیون بالای ناحیه دو فاز می‌توان آلیاژ تیتانیوم حاوی ساختار دو حالته را بدست آورد که دارای استحکام و انعطاف‌پذیری بهتری است. با این حال، در مقایسه با ساختار دو حالته، آلیاژ TA15 با ساختار لایه‌ای دارای حد خستگی بالاتری است که به مقاومت رشد ترک خستگی بالاتر ساختار لایه‌ای مربوط می‌شود. دانه های β اصلی کوچکتر و ساختار لایه ای ظریف در نمونه می تواند استحکام خستگی آلیاژ تیتانیوم را بهبود بخشد، استحکام تسلیم بالاتر و توانایی مقاومت در برابر رشد ترک خستگی را به دست آورد. آلیاژ تیتانیوم TA15 ساخته شده توسط WAAM یک آلیاژ تیتانیوم نوع نزدیک به α با پایداری حرارتی بالا و استحکام خستگی قابل توجهی در مقایسه با آلیاژ TA15 ریخته گری سنتی بهبود یافته است. از طریق بررسی، مشخص شد که آلیاژ تیتانیوم TA15 تهیه شده توسط رسوب لیزری و فرآیند آهنگری سنتی این آلیاژ دارای حد خستگی نسبتا بالایی (200~650MPa) خواهد بود، اما رسوب لیزری تنها می تواند اجزای با اندازه کوچک را آماده کند، در حالی که آهنگری سنتی نمی تواند اجزای پیچیده در مقیاس بزرگ را به خوبی آماده کند. هنگامی که دمای سرویس به 400-500 ℃ می رسد، مزایای عملکرد آلیاژ تیتانیوم TA15 آشکار است و استحکام بهبود می یابد.

شکل 6 منحنی SN خستگی از آلیاژ تیتانیوم TA15 در حالت آنیل شده توسط WAAM تشکیل شده است.

با کاهش بار، تعداد زیادی ترک ثانویه در شکست آلیاژ تیتانیوم TA15 ظاهر می‌شود و خطوط خستگی به تدریج افزایش می‌یابد، فاصله کاهش می‌یابد و افزایش طول عمر عمدتاً در افزایش ناحیه منبع ترک خستگی و ناحیه انتشار ترک منعکس می‌شود.

شکستگی به منطقه منبع ترک خستگی، منطقه رشد ترک خستگی و منطقه شکست گذرا تقسیم می شود. تحت تنش سیکلی کم، ترک عمدتاً از طریق یا در امتداد ساختار لایه‌ای منتشر می‌شود و مسیر انتشار ترک ثانویه طولانی و پرپیچ‌وخم است. تحت تنش چرخه‌ای بالا، ترک در امتداد مرز دانه β اولیه شروع به انتشار می‌کند، و مسیر انتشار ترک ثانویه نسبتاً کند است. تعداد کوتاه اما زیاد است. این ترک‌های ثانویه می‌توانند انرژی نوک ترک را به موقع مصرف کنند و می‌توانند به طور مؤثری سرعت رشد ترک خستگی آلیاژ تیتانیوم TA15 را به تاخیر بیندازند.

شکل 7 مورفولوژی شکست خستگی آلیاژ تیتانیوم TA15 در حالت آنیل شده توسط WAAM

(الف) 800 مگا پاسکال (ب) 668 مگا پاسکال (ج) 490 مگا پاسکال

شکل 8 مورفولوژی شکست ناحیه منبع خستگی در حالت آنیل شده از آلیاژ تیتانیوم TA15 تشکیل شده توسط WAAM

(الف) 668 مگاپاسکال (ب) بزرگ شده در A (ج) 579 مگاپاسکال (د) بزرگ شده در B

شکل 9 مورفولوژی شکست ناحیه انتشار ترک خستگی در حالت آنیل شده از آلیاژ تیتانیوم TA15 تشکیل شده توسط WAAM

(الف) 757 مگاپاسکال، (ب) 668 مگاپاسکال، (ج) 579 مگاپاسکال، (د) 490 مگاپاسکال (ه) ترک ثانویه طولانی (f) ترک ثانویه کوتاه

شکل 10 مورفولوژی شکست ناحیه شکست گذرا خستگی از آلیاژ تیتانیوم TA15 تشکیل شده توسط WAAM در حالت آنیل شده

(الف) 757 مگاپاسکال، (ب) 668 مگاپاسکال، (ج) 490 مگاپاسکال

شکل 11 مورفولوژی ناحیه انتشار ترک در سمت شکست خستگی آلیاژ تیتانیوم TA15 تشکیل شده توسط WAAM در حالت آنیل شده

(الف) ترک اصلی از ساختار لایه ای عبور می کند، 490MPa (ب) ترک اصلی در امتداد مرز دانه β منتشر می شود، 668MPa (ج) ترک اصلی منحرف می شود و شاخه های ترک می خورد، 490MPa (د) شاخه ترک، 668MPa (ه) ترک اصلی منحرف می شود در امتداد ساختار لایه ای و ترک ثانویه، 490 مگا پاسکال

(الف) استرس چرخه ای کم، (ب) تنش چرخه ای بالا

شکل 12 نمودار شماتیک مکانیسم رشد ترک خستگی آلیاژ تیتانیوم TA15 تشکیل شده توسط WAAM در حالت آنیل شده