Equipo del profesor Liu Jing en la Universidad de Ciencia y Tecnología de Wuhan: el efecto de la fabricación aditiva por arco de alambre sobre el comportamiento de fatiga de la aleación de titanio Ta15

La aleación de titanio TA15 (Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V) es una aleación de titanio de resistencia media de tipo casi α con alto contenido de aluminio, que se ha utilizado ampliamente en tecnología aeroespacial y otros campos. A medida que los componentes necesarios para las aeronaves se vuelven cada vez más complejos, los métodos de forja tradicionales limitan el desarrollo y uso de piezas complejas. La tecnología de fabricación aditiva por arco de alambre (WAAM) puede fabricar directamente piezas estructurales finas y complejas. El campo aeroespacial le concede gran importancia y los investigadores han realizado muchas investigaciones al respecto. En aplicaciones prácticas, el estado de vuelo de la aeronave cambia constantemente y la tensión sobre los componentes también cambia todo el tiempo. En el estado de carga de tensión alterna, la falla por fatiga es una de las razones importantes que conducen a accidentes. Por lo tanto, la investigación sobre las propiedades de fatiga de la aleación de titanio TA15 fabricada mediante fabricación aditiva por arco de alambre tiene una importante importancia rectora y valor de aplicación en aplicaciones prácticas.

En la actualidad, la investigación sobre las propiedades mecánicas de tracción y fatiga de la aleación de titanio TA15 es relativamente extensa. LIU Y et al. Estudió la fabricación aditiva por láser de la aleación TA15-Ti2AlNb y descubrió que después del recocido, se obtenía una estructura fina en forma de cesta. actuación. Ren Yuhang et al. Estudió el comportamiento de propagación de grietas por fatiga de la aleación de titanio TA15 depositada con láser y descubrió que la estructura después del tratamiento térmico es una estructura de canasta, y la ruta de crecimiento de las grietas por fatiga es tortuosa, principalmente paralela o perpendicular a la propagación de la lámina α, y aparece una gran cantidad de grietas secundarias. La materia prima de la fusión selectiva por láser es polvo y la fuente de calor es láser, mientras que la materia prima de la fabricación aditiva por arco de alambre es material de alambre y la fuente de calor es arco eléctrico. SZOST BA et al. Estudió la microestructura de la aleación Ti-6Al-4V producida mediante el proceso WAAM y descubrió que se encontraron granos β columnares gruesos en el fondo del baño fundido, lo que afectó seriamente las propiedades mecánicas del material, mientras que los granos β finos y la estructura acicular mejorarán las propiedades mecánicas del material. Para controlar la anisotropía de las propiedades mecánicas causadas por los granos β originales gruesos, DONOGHUE J et al. Se agregó laminación in situ al proceso WAAM, que puede refinar significativamente solo los granos β originales y mejorar las propiedades mecánicas integrales del material. Li S et al. Obtuvieron la estructura de cesta en forma de aguja de aleación de titanio TA15 a 990 ° C durante 1 h y luego se enfrió con aire. Se encontró que cuando la relación de tensiones R = 0,1, la estructura laminar tiene una mayor resistencia al crecimiento de grietas por fatiga que la estructura de dos estados. , Y cuando la grieta se propaga en la estructura laminar, el camino es más tortuoso y la estructura de estado dual se compone de dos formas de fase α, a saber, estructura equiaxial y estructura laminar, que están distribuidas uniformemente.

En resumen, diferentes procesos y tratamientos térmicos darán como resultado diferentes microestructuras, lo que conducirá a cambios en las propiedades mecánicas y de fatiga de las aleaciones de titanio TA15. La aleación de titanio TA15 es una aleación importante para aplicaciones aeroespaciales y existen pocos estudios sobre las características de fatiga de su fabricación aditiva por arco de alambre.

El equipo del profesor Liu Jing de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Wuhan publicó el artículo "La influencia del nivel de tensión en el comportamiento de fatiga de la aleación de titanio TA15 fabricada mediante fabricación aditiva por arco de alambre" en la revista "Special Casting and Nonferrous Alloys" en el volumen 42, número 12, 2022. En este artículo, se estudiaron in situ el rendimiento por fatiga y el comportamiento de falla por fractura por fatiga de la aleación TA15 recocida. Fabricación aditiva por arco de alambre laminado de aleación TA15. Los resultados muestran que las microestructuras longitudinales y de rodadura de la aleación TA15 recocida están dominadas por microestructuras de cesta formadas por láminas α/β superpuestas, y que existe una distribución de grano equiaxial localmente. Al ajustar la curva SN, el límite de fatiga σf de la aleación de titanio TA15 es 311 MPa. La fractura de la muestra incluye el área de origen de la grieta por fatiga, el área de crecimiento de la grieta por fatiga y la zona de fractura transitoria. Todas las grietas se inician desde la superficie. Al mismo tiempo, hay una gran cantidad de estrías de fatiga y grietas secundarias en la zona de propagación de la grieta, y la zona de fractura transitoria está compuesta de hoyuelos equiaxiales. , que muestra características típicas de fractura de cuasi escisión. Bajo tensión cíclica baja, la grieta se propaga principalmente a través o a lo largo de la estructura laminar α/β, y la trayectoria de propagación de la grieta es más larga; Bajo una tensión cíclica alta, la grieta comienza a propagarse a lo largo del límite del grano β original y la ruta de propagación de la grieta secundaria es más corta. Cortos pero numerosos. Las grietas por fatiga tienden a propagarse a lo largo de posiciones relativamente débiles en el tejido y hay ramas de grieta alrededor de las grietas secundarias.

【Materiales y métodos de prueba】

Se selecciona alambre de aleación de titanio TA15 como materia prima y el proceso de deposición se lleva a cabo en un laminador plano hecho a medida. Todo el sistema está controlado por una computadora y el rodillo rueda sobre la superficie de la muestra junto con el arco en el extremo frontal de acuerdo con la trayectoria especificada por la señal de arco. Las propiedades químicas de la muestra Los ingredientes se muestran en la Tabla 1. El tamaño de la placa preparada es 180 mm × 160 mm × 8 mm, como se muestra en la Figura 1a. El tratamiento térmico se realizó en un horno de vacío con un gas protector inerte, el proceso de recocido fue de 800 °C × 40 min y enfriamiento por aire. El análisis de fase de la muestra TA15 se llevó a cabo mediante un espectrómetro de fluorescencia de rayos X dispersivo de longitud de onda ZSXPrimus IV con un barrido lento de 2°. Se midió que el límite elástico de la muestra era 891 MPa y el alargamiento era del 12%. Se tomaron muestras a lo largo de la dirección X en el plano XOY y el tamaño de la muestra de fatiga se muestra en la Figura 1b. El ensayo de fatiga se realizó en la máquina de ensayo de fatiga INSTRON 8801. Se seleccionaron cinco grupos de diferentes niveles de estrés y se llevaron a cabo a temperatura ambiente seca. Se adoptó una carga de onda sinusoidal, la relación de tensión R = 0,1 y la frecuencia de carga f = 15 Hz. Corte la muestra metalográfica cerca de la superficie de la fractura y observe la microestructura, luego incruste, muela previamente y pula la muestra, y use el grabador Kroll (relación de volumen HF-HNO3-H2O 1:6:7) para la corrosión; Se utilizó un microscopio óptico de imágenes Zeiss Axioplan 2 para observar la microestructura y un microscopio electrónico de barrido de emisión de campo Nova 400 Nano equipado con análisis de dispersión de energía de rayos X (EDS) para observar la microestructura de la muestra, la morfología de la fractura por fatiga y la ruta de propagación de la grieta, y analizar el mecanismo de fractura por fatiga.

Figura 1 WAAM formando losa original de aleación de titanio TA15

【Resultados gráficos】

El espectro de la aleación de titanio TA15 presenta principalmente picos relacionados con la estructura cristalina hexagonal compacta (hcp-Ti), que son todas fases α, y hay picos correspondientes a fases β de alta temperatura de la cúbica centrada en el cuerpo (bcc), con baja intensidad de pico.

Fig.2 Patrón de difracción XRD de una muestra recocida de aleación de titanio TA15 formada por WAAM

Después del recocido, la aleación de titanio TA15 formada por WAAM es principalmente una estructura laminar en forma de cesta y, al mismo tiempo, algunos granos equiaxiales se agregan y distribuyen en el mismo grano β original.

Fig.3 Microestructura metalográfica de aleación de titanio recocido TA15 formada por WAAM

(a) Longitudinal (b) Girando hacia (c) Ampliado en 1 lugar (d) Ampliado en 2 lugares

(a) Granos β originales (b) Estructura laminar (c) Estructura no homogénea (d) Granos equiaxiales

Fig.4 Microestructura SEM laminada de aleación de titanio TA15 formada WAAM en estado recocido

(a) estructura laminar (b) elemento Mo (c) elemento V (d) elemento Ti (e) elemento Al (f) elemento Zr

Fig.5 Estructura laminar y análisis EDS de una aleación de titanio recocido TA15 formada por WAAM

Por lo general, la deformación en la región de dos fases α+β puede obtener una estructura equiaxial, y luego el recocido por recristalización por encima de la región de dos fases puede obtener una aleación de titanio que contiene una estructura de dos estados, que tiene mejor resistencia y plasticidad. Sin embargo, en comparación con la estructura de dos estados, la aleación TA15 con estructura laminar tendrá un límite de fatiga más alto, lo que está relacionado con la mayor resistencia al crecimiento de grietas por fatiga de la estructura laminar. Los granos β originales más pequeños y la estructura laminar fina de la muestra pueden mejorar la resistencia a la fatiga de la aleación de titanio, obtener un mayor límite elástico y la capacidad de resistir el crecimiento de grietas por fatiga. La aleación de titanio TA15 formada por WAAM es una típica aleación de titanio de tipo cercano a α con alta estabilidad térmica y resistencia a la fatiga significativamente mejorada en comparación con la aleación TA15 fundida tradicional. A través de la investigación, se descubrió que la aleación de titanio TA15 preparada mediante deposición láser y proceso de forjado tradicional. La aleación tendrá un límite de fatiga relativamente alto (200 ~ 650 MPa), pero la deposición láser solo puede preparar componentes de tamaño pequeño, mientras que la forja tradicional no puede preparar bien componentes complejos a gran escala. Cuando la temperatura de servicio alcanza los 400-500 ℃, las ventajas de rendimiento de la aleación de titanio TA15 son obvias y se mejora la resistencia.

Fig.6 Curvas SN de fatiga de la aleación de titanio TA15 en estado recocido formada por WAAM

A medida que disminuye la carga, aparece una gran cantidad de grietas secundarias en la fractura de la aleación de titanio TA15, y las estrías de fatiga aumentan gradualmente, el espaciado disminuye y la prolongación de la vida se refleja principalmente en el aumento del área de origen de la grieta por fatiga y el área de propagación de la grieta.

La fractura se divide en zona de origen de la grieta por fatiga, zona de crecimiento de la grieta por fatiga y zona de fractura transitoria. Bajo tensión cíclica baja, la grieta se propaga principalmente a través o a lo largo de la estructura laminar, y la ruta de propagación de la grieta secundaria es larga y tortuosa; bajo una tensión cíclica alta, la grieta comienza a propagarse a lo largo del límite del grano β original y la ruta de propagación de la grieta secundaria es relativamente lenta, corta pero numerosa. Estas grietas secundarias pueden consumir la energía de la punta de la grieta con el tiempo y pueden retrasar efectivamente la tasa de crecimiento de las grietas por fatiga de la aleación de titanio TA15.

Fig.7 Morfología de fractura por fatiga de la aleación de titanio TA15 en estado recocido formada por WAAM

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

Fig.8 Morfología de la fractura de la zona fuente de fatiga en el estado recocido de la aleación de titanio TA15 formada por WAAM

(a) 668 MPa (b) Ampliada en A (c) 579 MPa (d) Ampliada en B

Fig.9 Morfología de la fractura de la zona de propagación de la grieta por fatiga en el estado recocido de la aleación de titanio TA15 formada por WAAM

(a) 757 MPa, (b) 668 MPa, (c) 579 MPa, (d) 490 MPa (e) grieta secundaria larga (f) grieta secundaria corta

Fig.10 Morfología de la fractura de la zona de fractura transitoria por fatiga de la aleación de titanio TA15 formada por WAAM en estado recocido

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

Fig.11 Morfología de la zona de propagación de la grieta en el lado de fractura por fatiga de la aleación de titanio TA15 formada por WAAM en estado recocido

(a) La grieta principal pasa a través de la estructura laminar, 490 MPa (b) La grieta principal se propaga a lo largo del límite del grano β, 668 MPa (c) La grieta principal se desvía y la grieta se ramifica, 490 MPa (d) La grieta principal se propaga a lo largo de la estructura laminar y la grieta secundaria, 490 MPa (f) La grieta principal se propaga a lo largo de la estructura laminar y la grieta secundaria, 490MPa

(a) Estrés cíclico bajo, (b) Estrés cíclico alto

Fig.12 Diagrama esquemático del mecanismo de crecimiento de grietas por fatiga de la aleación de titanio TA15 formada por WAAM en estado recocido