Equipe do professor Liu Jing da Universidade de Ciência e Tecnologia de Wuhan: o efeito da fabricação aditiva de arco de arame no comportamento de fadiga da liga de titânio Ta15

A liga de titânio TA15 (Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V) é uma liga de titânio de média resistência do tipo quase α com alto teor de alumínio, que tem sido amplamente utilizada na tecnologia aeroespacial e em outros campos. À medida que os componentes necessários para aeronaves se tornam cada vez mais complexos, os métodos tradicionais de forjamento limitam o desenvolvimento e o uso de peças complexas. A tecnologia de fabricação aditiva de arco de arame (WAAM) pode fabricar diretamente peças estruturais finas e complexas. O campo aeroespacial atribui grande importância a isso e os pesquisadores têm conduzido muitas pesquisas sobre o assunto. Em aplicações práticas, o estado de vôo da aeronave muda constantemente e o estresse sobre os componentes também muda o tempo todo. Sob o estado de carga de tensão alternada, a falha por fadiga é uma das razões importantes que levam a acidentes. Portanto, a pesquisa sobre as propriedades de fadiga da liga de titânio TA15 fabricada por manufatura aditiva de arco de arame tem importante significado orientador e valor de aplicação em aplicações práticas.

Atualmente, a pesquisa sobre as propriedades mecânicas de tração e fadiga da liga de titânio TA15 é relativamente extensa. LIUY et al. estudaram a fabricação aditiva a laser da liga TA15-Ti2AlNb e descobriram que após o recozimento, foi obtida uma estrutura fina em forma de cesta. desempenho. Ren Yuhang et al. estudou o comportamento de propagação de trincas por fadiga da liga de titânio TA15 depositada a laser e descobriu que a estrutura após o tratamento térmico é uma estrutura em cesta, e o caminho de crescimento da trinca por fadiga é tortuoso, principalmente paralelo ou perpendicular à propagação da folha α, e um grande número de trincas secundárias aparecem. A matéria-prima da fusão seletiva a laser é o pó, e a fonte de calor é o laser, enquanto a matéria-prima da fabricação aditiva de arco de arame é o material de arame, e a fonte de calor é o arco elétrico. SZOST BA et al. estudou a microestrutura da liga Ti-6Al-4V produzida pelo processo WAAM e descobriu que grãos β colunares grossos foram encontrados no fundo da poça fundida, o que afetou seriamente as propriedades mecânicas do material, enquanto os grãos β finos e a estrutura acicular melhorarão as propriedades mecânicas do material. A fim de controlar a anisotropia das propriedades mecânicas causada pelos grãos β originais grossos, DONOGHUE J et al. adicionou laminação in-situ ao processo WAAM, que pode refinar significativamente apenas os grãos β originais e melhorar as propriedades mecânicas abrangentes do material. LiS et al. obteve a estrutura de cesto em forma de agulha da liga de titânio TA15 a 990 ° C por 1 h e depois resfriada a ar. Verificou-se que quando a razão de tensões R = 0,1, a estrutura lamelar apresenta maior resistência ao crescimento de trincas por fadiga do que a estrutura de dois estados. , e quando a fissura se propaga na estrutura lamelar, o caminho é mais tortuoso, e a estrutura de estado duplo é composta por duas formas de fase α, nomeadamente estrutura equiaxial e estrutura lamelar, que são distribuídas uniformemente.

Em resumo, diferentes processos e tratamentos térmicos resultarão em diferentes microestruturas, o que levará a alterações nas propriedades mecânicas e nas propriedades de fadiga das ligas de titânio TA15. A liga de titânio TA15 é uma liga importante para aplicações aeroespaciais e há poucos estudos sobre as características de fadiga de sua fabricação aditiva de arco de arame.

A equipe do professor Liu Jing da Universidade de Ciência e Tecnologia de Wuhan publicou o artigo "A influência do nível de tensão no comportamento de fadiga da liga de titânio TA15 fabricada por fabricação aditiva de arco de arame" na revista "Special Casting and Nonferrous Alloys" no Volume 42, Edição 12, 2022. Neste artigo, o desempenho em fadiga e o comportamento de falha por fratura por fadiga da liga TA15 recozida foram estudados por laminação in-situ fabricação aditiva de arco de fio de liga TA15. Os resultados mostram que as microestruturas rolantes e longitudinais da liga TA15 recozida são dominadas por microestruturas em cesto formadas por folhas α/β sobrepostas, e a distribuição de grãos equiaxiais existe localmente. Ajustando a curva SN, o limite de fadiga σf da liga de titânio TA15 é 311 MPa. A fratura da amostra inclui a área de origem da trinca por fadiga, a área de crescimento da trinca por fadiga e a zona de fratura transitória. As rachaduras são todas iniciadas na superfície. Ao mesmo tempo, há um grande número de estrias de fadiga e trincas secundárias na zona de propagação de trincas, e a zona de fratura transitória é composta por covinhas equiaxiais. , mostrando características típicas de fratura quase-clivagem. Sob baixa tensão cíclica, a trinca se propaga principalmente através ou ao longo da estrutura lamelar α/β, e o caminho de propagação da trinca é mais longo; sob alta tensão cíclica, a trinca começa a se propagar ao longo do limite de grão β original e o caminho de propagação da trinca secundária é mais curto. Curto, mas em número elevado. As fissuras de fadiga tendem a propagar-se ao longo de posições relativamente fracas no tecido, e existem ramificações de fissuras em torno das fissuras secundárias.

【Materiais e métodos de teste】

O fio de liga de titânio TA15 é selecionado como matéria-prima e o processo de deposição é realizado em um laminador plano personalizado. Todo o sistema é controlado por um computador, e o rolo rola na superfície da amostra junto com o arco na extremidade frontal de acordo com a trajetória especificada pelo sinal do arco. As propriedades químicas da amostra Os ingredientes são mostrados na Tabela 1. O tamanho da placa preparada é 180 mm × 160 mm × 8 mm, conforme mostrado na Figura 1a. O tratamento térmico foi realizado em forno a vácuo com gás protetor inerte, o processo de recozimento foi de 800 °C × 40 min e resfriamento a ar. A análise de fase da amostra TA15 foi realizada por espectrômetro de fluorescência de raios X dispersiva de comprimento de onda ZSXPrimus IV com varredura lenta de 2°. O limite de escoamento da amostra foi medido em 891 MPa e o alongamento foi de 12%. As amostras foram coletadas ao longo da direção X no plano XOY, e o tamanho da amostra de fadiga é mostrado na Figura 1b. O teste de fadiga foi realizado na máquina de testes de fadiga INSTRON 8801. Cinco grupos de diferentes níveis de estresse foram selecionados e realizados em temperatura ambiente seca. Foi adotada carga de onda senoidal, relação de tensão R=0,1 e frequência de carga f=15Hz. Corte a amostra metalográfica perto da superfície de fratura e observe a microestrutura, depois incruste, pré-moa e polir a amostra, e use o ácido Kroll (proporção de volume HF-HNO3-H2O 1:6:7) para corrosão; Um microscópio óptico de imagem Zeiss Axioplan 2 foi usado para observar a microestrutura e um microscópio eletrônico de varredura de emissão de campo Nova 400 Nano equipado com análise dispersiva de energia de raios X (EDS) foi usado para observar a microestrutura da amostra, a morfologia da fratura por fadiga e o caminho de propagação da trinca, e analisar o mecanismo de fratura por fadiga.

Figura 1 WAAM formando placa original de liga de titânio TA15

【Resultados gráficos】

O espectro da liga de titânio TA15 apresenta principalmente picos relacionados à estrutura cristalina hexagonal compacta (hcp-Ti), que são todas fases α, e há picos correspondentes a fases β de alta temperatura da cúbica centrada no corpo (bcc), com baixa intensidade de pico.

Fig.2 Padrão de difração XRD da amostra recozida de liga de titânio TA15 formada por WAAM

Após o recozimento, a liga de titânio TA15 formada pelo WAAM é principalmente uma estrutura lamelar em forma de cesta e, ao mesmo tempo, alguns grãos equiaxiais são agregados e distribuídos no mesmo grão β original.

Fig.3 Microestrutura metalográfica da liga de titânio TA15 recozida formada por WAAM

(a) Longitudinal (b) Rolando para (c) Ampliado em 1 lugar (d) Ampliado em 2 lugares

(a) Grãos β originais (b) Estrutura lamelar (c) Estrutura não homogênea (d) Grãos equiaxiais

Fig.4 Microestrutura SEM laminada da liga de titânio TA15 formada por WAAM no estado recozido

(a) estrutura lamelar (b) elemento Mo (c) elemento V (d) elemento Ti (e) elemento Al (f) elemento Zr

Fig.5 Estrutura lamelar e análise EDS da liga de titânio TA15 recozida formada por WAAM

Normalmente, a deformação na região bifásica α + β pode obter uma estrutura equiaxial, e então o recozimento de recristalização acima da região bifásica pode obter uma liga de titânio contendo uma estrutura de dois estados, que possui melhor resistência e plasticidade. Porém, em comparação com a estrutura de dois estados, a liga TA15 com estrutura lamelar terá um limite de fadiga mais elevado, o que está relacionado à maior resistência ao crescimento de trincas por fadiga da estrutura lamelar. Os grãos β originais menores e a estrutura lamelar fina na amostra podem melhorar a resistência à fadiga da liga de titânio, obter maior resistência ao escoamento e a capacidade de resistir ao crescimento de trincas por fadiga. A liga de titânio TA15 formada por WAAM é uma liga de titânio típica do tipo quase α com alta estabilidade térmica e resistência à fadiga significativamente melhorada em comparação com a liga TA15 fundida tradicional. Através de investigação, descobriu-se que a liga de titânio TA15 preparada por deposição a laser e processo de forjamento tradicional. A liga terá um limite de fadiga relativamente alto (200 ~ 650 MPa), mas a deposição a laser só pode preparar componentes de pequeno porte, enquanto o forjamento tradicional não pode preparar bem componentes complexos de grande escala. Quando a temperatura de serviço atinge 400-500 ℃, as vantagens de desempenho da liga de titânio TA15 são óbvias e a resistência é melhorada.

Fig.6 Curvas SN de fadiga da liga de titânio TA15 em estado recozido formada por WAAM

À medida que a carga diminui, um grande número de fissuras secundárias aparece na fratura da liga de titânio TA15, e as estrias de fadiga aumentam gradualmente, o espaçamento diminui e o prolongamento da vida útil reflete-se principalmente no aumento da área de origem da fissura de fadiga e da área de propagação de fissuras.

A fratura é dividida em zona de origem de trinca por fadiga, zona de crescimento de trinca por fadiga e zona de fratura transitória. Sob baixa tensão cíclica, a trinca se propaga principalmente através ou ao longo da estrutura lamelar, e o caminho secundário de propagação da trinca é longo e tortuoso; sob alta tensão cíclica, a trinca começa a se propagar ao longo do limite de grão β original, e o caminho secundário de propagação da trinca é relativamente lento. Curto, mas em grande número. Essas trincas secundárias podem consumir a energia da ponta da trinca com o tempo e podem efetivamente atrasar a taxa de crescimento da trinca por fadiga da liga de titânio TA15.

Fig.7 Morfologia da fratura por fadiga da liga de titânio TA15 em estado recozido formada por WAAM

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

Fig.8 Morfologia da fratura da zona fonte de fadiga no estado recozido da liga de titânio TA15 formada por WAAM

(a) 668 MPa (b) Ampliado em A (c) 579 MPa (d) Ampliado em B

Fig.9 Morfologia da fratura da zona de propagação de trinca por fadiga no estado recozido da liga de titânio TA15 formada por WAAM

(a) 757 MPa, (b) 668 MPa, (c) 579 MPa, (d) 490 MPa (e) trinca secundária longa (f) trinca secundária curta

Fig.10 Morfologia da fratura da zona de fratura transitória por fadiga da liga de titânio TA15 formada por WAAM no estado recozido

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

Fig.11 Morfologia da zona de propagação de trinca no lado da fratura por fadiga da liga de titânio TA15 formada por WAAM no estado recozido

(a) A trinca principal passa através da estrutura lamelar, 490MPa (b) A trinca principal se propaga ao longo do limite de grão β, 668MPa (c) A trinca principal desvia e a trinca se ramifica, 490MPa (d) A ramificação da trinca, 668MPa (e) A trinca principal desvia e a trinca secundária, 490MPa (f) A trinca principal se propaga ao longo da estrutura lamelar e da trinca secundária, 490 MPa

(a) Baixa tensão cíclica, (b) Alta tensão cíclica

Fig.12 Diagrama esquemático do mecanismo de crescimento de trincas por fadiga da liga de titânio TA15 formada por WAAM no estado recozido