Команда профессора Лю Цзина из Уханьского университета науки и технологий: влияние аддитивного производства проволочной дуги на усталостное поведение титанового сплава Ta15

Титановый сплав ТА15 (Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V) представляет собой титановый сплав средней прочности, близкий к α-типу, с высоким содержанием алюминия, который широко используется в аэрокосмической технике и других областях. Поскольку компоненты, необходимые для самолетов, становятся все более и более сложными, традиционные методы ковки ограничивают разработку и использование сложных деталей. Технология аддитивного производства проволочной дуги (WAAM) позволяет напрямую изготавливать мелкие и сложные конструкционные детали. В аэрокосмической сфере этому придают большое значение, и исследователи провели множество исследований по этому поводу. В практических приложениях состояние полета самолета постоянно меняется, и нагрузки на компоненты также все время меняются. В условиях знакопеременной напряженной нагрузки усталостное разрушение является одной из важных причин, приводящих к авариям. Поэтому исследование усталостных свойств титанового сплава ТА15, полученного методом аддитивного производства, имеет важное руководящее значение и прикладное значение в практических приложениях.

В настоящее время исследования механических свойств при растяжении и усталостных свойств титанового сплава ТА15 достаточно обширны. ЛЮ И и др. изучили лазерное аддитивное производство сплава ТА15-Ti2AlNb и обнаружили, что после отжига получается тонкая корзинчатая структура. производительность. Рен Юхан и др. изучили поведение распространения усталостной трещины в титановом сплаве ТА15, осажденном лазером, и обнаружили, что структура после термообработки представляет собой корзинчатую структуру, а путь роста усталостной трещины извилистый, в основном параллельный или перпендикулярный распространению α-листа, и большой появляется ряд вторичных трещин. Сырьем для селективного лазерного плавления является порошок, а источником тепла является лазер, в то время как сырьем для аддитивного производства проволочной дуги является материал проволоки, а источником тепла является электрическая дуга. СЗОСТ Б.А. и др. изучили микроструктуру сплава Ti-6Al-4V, полученного методом WAAM, и обнаружили, что крупные столбчатые β-зерна были обнаружены на дне расплавленной ванны, что серьезно влияло на механические свойства материала, в то время как мелкие β-зерна и игольчатая структура улучшит механические свойства материала. Чтобы контролировать анизотропию механических свойств, вызванную крупными исходными β-зернами, DONOGHUE J et al. к процессу WAAM добавлена ​​прокатка на месте, которая позволяет значительно измельчить только исходные β-зерна и улучшить комплексные механические свойства материала. Ли С и др. получили игольчатую корзинчатую структуру из титанового сплава ТА15 при температуре 990°C в течение 1 часа и затем охлаждении на воздухе. Установлено, что при коэффициенте напряжений R=0,1 пластинчатая структура обладает более высоким сопротивлением росту усталостных трещин, чем двухсостоянная структура. , а когда трещина распространяется в пластинчатой ​​структуре, путь становится более извилистым, а двухсостоянная структура состоит из двух форм α-фазы, а именно равноосной структуры и пластинчатой ​​структуры, которые распределены равномерно.

Таким образом, различные процессы и термические обработки приведут к образованию различных микроструктур, что приведет к изменениям механических свойств и усталостных свойств титановых сплавов ТА15. Титановый сплав ТА15 является важным сплавом для аэрокосмической промышленности, и существует мало исследований усталостных характеристик его аддитивного производства с помощью проволочной дуги.

Команда профессора Лю Цзин из Уханьского университета науки и технологий опубликовала статью «Влияние уровня напряжения на усталостное поведение титанового сплава ТА15, изготовленного методом аддитивного производства с проволокой» в журнале «Специальное литье и цветные сплавы» в томе 42. , выпуск 12, 2022. В этой статье усталостные характеристики и поведение при усталостном разрушении отожженного сплава ТА15 были изучены с помощью аддитивного производства сплава ТА15 с прокатной проволокой на месте. Результаты показывают, что в прокатных и продольных микроструктурах отожженного сплава ТА15 преобладают корзинчатые микроструктуры, образованные перекрывающимися α/β-листами, и локально существует равноосное распределение зерен. По аппроксимации кривой SN предел выносливости σf титанового сплава ТА15 составляет 311 МПа. Разрушение образца включает область источника усталостной трещины, область роста усталостной трещины и зону переходного разрушения. Все трещины начинаются с поверхности. При этом в зоне распространения трещины имеется большое количество усталостных бороздок и вторичных трещин, а зона переходного разрушения состоит из равноосных ямок. , демонстрируя типичные характеристики излома квазираскола. При низком циклическом напряжении трещина в основном распространяется через пластинчатую структуру α/β или вдоль нее, а путь распространения трещины длиннее; при высоком циклическом напряжении трещина начинает распространяться вдоль исходной границы β-зерна, а путь распространения вторичной трещины короче. Короткие, но многочисленные. Усталостные трещины имеют тенденцию распространяться по относительно слабым местам в ткани, а вокруг вторичных трещин возникают разветвления.

【Материалы и методы испытаний】

В качестве сырья выбрана проволока из титанового сплава ТА15, а процесс наплавки осуществляется на специально изготовленном плоскопрокатном стане. Вся система управляется компьютером, и валок катится по поверхности образца вместе с дугой на переднем конце по траектории, заданной сигналом дуги. Химические свойства образца. Ингредиенты показаны в таблице 1. Размер приготовленной пластины составляет 180 мм × 160 мм × 8 мм, как показано на рисунке 1а. Термическую обработку проводили в вакуумной печи с инертным защитным газом, процесс отжига 800 °С × 40 мин, охлаждение на воздухе. Фазовый анализ образца ТА15 проводился на волнодисперсионном рентгенофлуоресцентном спектрометре ZSXPrimus IV с медленной разверткой 2°. Измеренный предел текучести образца составил 891 МПа, а удлинение составило 12%. Образцы были отобраны в направлении X на плоскости XOY, размер усталостных образцов показан на рисунке 1b. Испытание на усталость проводилось на усталостной машине INSTRON 8801. Были отобраны пять групп с разным уровнем стресса, которые проводились при сухой комнатной температуре. Была принята синусоидальная нагрузка, коэффициент напряжения R=0,1 и частота нагрузки f=15 Гц. Разрежьте металлографический образец вблизи поверхности излома и осмотрите микроструктуру, затем вставьте, предварительно отшлифуйте и отполируйте образец и используйте травитель Кролла (объемное соотношение HF-HNO3-H2O 1:6:7) для защиты от коррозии; Для наблюдения за микроструктурой использовался визуализирующий оптический микроскоп Zeiss Axioplan 2, а для наблюдения за микроструктурой образца, морфологией усталостного разрушения и путем распространения трещин использовался полевой эмиссионный сканирующий электронный микроскоп Nova 400 Nano, оснащенный рентгеновским энергодисперсионным анализом (EDS). и проанализировать механизм усталостного разрушения.

Рисунок 1. WAAM формирует исходную пластину из титанового сплава TA15.

【Графические результаты】

В спектре титанового сплава ТА15 в основном присутствуют пики, относящиеся к гексагональной плотноупакованной кристаллической структуре (ГПУ-Ti), которые все являются α-фазами, а также имеются пики, соответствующие высокотемпературным β-фазам объемноцентрированной кубической (ОЦК) с низкой пиковой интенсивностью.

Рис.2. Рентгенограмма отожженного образца титанового сплава ТА15, полученного методом WAAM.

После отжига титановый сплав ТА15, полученный методом WAAM, представляет собой преимущественно корзинчатую пластинчатую структуру, и в то же время некоторые равноосные зерна агрегируются и распределяются в одном и том же исходном β-зерне.

Рис.3 Металлографическая микроструктура отожженного титанового сплава ТА15, полученного методом WAAM.

(a) Продольное (b) Прокатное до (c) Увеличение на 1 место (d) Увеличение на 2 места

(а) Исходные β-зерна (б) Пластинчатая структура (в) Неоднородная структура (г) Равноосные зерна

Рис.4. Микроструктура прокатанного СЭМ титанового сплава ТА15, полученного WAAM, в отожженном состоянии.

(а) пластинчатая структура (б) Элемент Mo (в) Элемент V (г) Элемент Ti (д) Элемент Al (е) Элемент Zr

Рис.5 Ламеллярная структура и ЭДС-анализ отожженного титанового сплава ТА15, полученного методом WAAM.

Обычно деформация в двухфазной области α+β позволяет получить равноосную структуру, а затем рекристаллизационный отжиг над двухфазной областью позволяет получить титановый сплав, содержащий двухфазную структуру, который имеет лучшую прочность и пластичность. Однако по сравнению с двухсостоятельной структурой сплав ТА15 с пластинчатой ​​структурой будет иметь более высокий предел выносливости, что связано с более высоким сопротивлением росту усталостных трещин пластинчатой ​​структуры. Меньшие исходные β-зерна и тонкая пластинчатая структура в образце могут улучшить усталостную прочность титанового сплава, обеспечить более высокий предел текучести и способность противостоять росту усталостных трещин. Титановый сплав TA15, изготовленный WAAM, представляет собой типичный титановый сплав, близкий к α-типу, с высокой термической стабильностью и значительно улучшенной усталостной прочностью по сравнению с традиционным литым сплавом TA15. В ходе исследования было обнаружено, что титановый сплав ТА15, полученный с помощью лазерного осаждения и традиционного процесса ковки. Сплав будет иметь относительно высокий предел выносливости (200 ~ 650 МПа), но лазерное осаждение позволяет изготовить только детали небольшого размера, в то время как традиционная ковка не может изготовить сложные детали. крупномасштабные компоненты хорошо. Когда рабочая температура достигает 400-500 ℃, преимущества титанового сплава TA15 очевидны, а прочность повышается.

Рис.6 Кривые усталости SN титанового сплава ТА15 в отожженном состоянии, полученные методом WAAM

По мере уменьшения нагрузки в изломе титанового сплава ТА15 появляется большое количество вторичных трещин, усталостные полосы постепенно увеличиваются, расстояние между ними уменьшается, а продление срока службы в основном отражается на увеличении площади источника усталостных трещин и трещины. область распространения.

Излом подразделяется на зону источника усталостной трещины, зону роста усталостной трещины и зону переходного разрушения. При низком циклическом напряжении трещина в основном распространяется через пластинчатую структуру или вдоль нее, а путь распространения вторичной трещины длинный и извилистый; при высоком циклическом напряжении трещина начинает распространяться вдоль исходной границы β-зерен, а путь распространения вторичной трещины относительно медленный. Короткий, но многочисленный. Эти вторичные трещины могут со временем поглощать энергию вершины трещины и эффективно замедлять скорость роста усталостной трещины в титановом сплаве ТА15.

Рис.7. Морфология усталостного разрушения титанового сплава ТА15 в отожженном состоянии, полученного методом WAAM.

(а) 800 МПа (б) 668 МПа (в) 490 МПа

Рис.8 Морфология разрушения зоны источника усталости в отожженном состоянии титанового сплава ТА15, полученного методом ВААМ

(а) 668 МПа (б) Увеличено в точке А (в) 579 МПа (г) Увеличено в точке Б

Рис.9 Морфология разрушения зоны развития усталостной трещины в отожженном состоянии титанового сплава ТА15, полученного методом ВААМ

(а) 757 МПа, (б) 668 МПа, (в) 579 МПа, (г) 490 МПа (д) длинная вторичная трещина (е) короткая вторичная трещина

Рис.10 Морфология разрушения зоны усталостного переходного разрушения титанового сплава ТА15, полученного методом ВААМ в отожженном состоянии

(а) 757 МПа, (б) 668 МПа, (в) 490 МПа

Рис.11 Морфология зоны развития трещины на стороне усталостного излома титанового сплава ТА15, сформированного ВААМ в отожженном состоянии

(а) Основная трещина проходит через пластинчатую структуру, 490 МПа (б) Основная трещина распространяется вдоль границы β-зерен, 668 МПа (в) Основная трещина отклоняется и разветвляется, 490 МПа (г) Ответвление трещины, 668 МПа (д) Основная трещина отклоняется и Вторичная трещина, 490 МПа (е) Основная трещина распространяется по пластинчатой ​​структуре и вторичная трещина, 490 МПа

(а) Низкое циклическое напряжение, (б) Высокое циклическое напряжение

Рис.12 Принципиальная схема механизма роста усталостной трещины титанового сплава ТА15, полученного методом ВААМ в отожженном состоянии