激光选区域熔化成形钛合金的典型缺陷分析及其对疲劳性能的影响

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激光选区域熔化形技术为众多增材制造方式的一种,它的原理是让高能量的激光束,按照先前预定的扫描路径,去扫描预先铺覆好的金属粉末将其完全熔化,达到逐层连接后再经冷却凝固后成形的一种技术。它能够成形结构复杂的构件,被广泛应用到了众多领域。在本文选取激光功率和扫描速度为实验变量,激光功率从100 w到250 w,扫描速度从300 mm/s到1500 mm/s,打印了共30组样品,对以上不同工艺参数样品研究发现:(1)密度与致密度。30组样品中密度的最小值为4.2118g/cm3,对应点致密度为94.674%,最大值为4.4198 g/cm3,对应点致密度为99.321%。(2)通过金相法制作出样品中横纵截面缺陷分布规律图,得出在工艺参数表的高功率低扫描速度区域和低功率高扫描速度区域的样品存在大量的缺陷;其中缺陷占比最少为0.01%,对应该截面的缺陷个数和尺寸分别为4个和67μm;(3)通过控制变量的方法来探究激光功率和扫描速度对缺陷截面占比和数量的影响。控制激光功率不变,在激光功率(100 w、130 w)较低时,随着扫描速度的增加,样品横纵截面的缺陷占比和缺陷数量会呈现出上升的趋势;在激光功率(160 w、190 w、220 w、250 w)较高时,随着扫描速度的增加,样品横纵截面的缺陷占比和缺陷数量呈现出下降的趋势。控制扫描速度不变,在扫描速度(300mm/s、600mm/s)较低时,随着激光功率的增加,样品横纵截面的缺陷占比和缺陷数量会呈现出上升的趋势;在扫描速度(900 mm/s、1200 mm/s、1500mm/s)较高时,随着激光功率的增加,样品横纵截面的缺陷占比和缺陷数量呈现出下降的趋势。(4)本部分也研究能量密度对不同工艺参数成形样品中缺陷规律影响:当样品的能量密度从50 J/mm3到140J/mm3,样品中截面缺陷占比和缺陷数量的数值较小,在这个区域,样品中的存在缺陷尺寸较小(小于80 μm),当样品的能量密度小于50 J/mm3和大于140 J/mm3,样品中截面缺陷占比和缺陷缺陷数量都的数值都较大,在这两个区域,样品中的缺陷尺寸较大(100 μm-200 μm)。对于缺陷的研究发现:在不同工艺参数下的样品中主要会存在两种缺陷,一种是不规则的尖角状缺陷,出现在低功率高扫描速度区;另一种是近圆形的规则圆状缺陷,主要在出现在高功率地扫描速度区域。其中不规则的尖角缺陷的产生原因是由于激光能量不足发生了球化现象,增加铺粉厚度,导致在第二次激光扫描出现未熔合区域时产生缺陷;近圆形规则孔洞缺陷是由于能量过高的激光光束照射熔池内液态金属发生金属气化产生的金属蒸汽气泡在凝固之前未能逸出所形成的缺陷;两种类型的缺陷的形状和尺寸都会随着各自工艺参数的变化,尺寸和形状会发生变化,其中不规则尖角形缺陷尺寸在50μm-500 μm之间变化,规则的圆形孔洞直径在50 μm-200μm之间变化。最佳工艺参数样品中的高周疲劳极限约为390 MPa;样品断口的疲劳源和裂纹扩展区存在的成形缺陷会降低样品的高周疲劳寿命,在瞬断区的成形缺陷对样品高周疲劳寿命影响较小。
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