增材制造技术选用原则(分析脉冲频率和热输入对电弧增材售制造TC4钛合金形貌和组织影响)

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编辑?科技点子王

钛合金是一种具有优异力学性能和耐腐蚀性的金属材料，主要由钛和其他元素如铝、钒、铁、锆等组成。

它具有高比强度、低密度、高抗腐蚀性以及良好的高温强度和疲劳性能等优点，因此被广泛应用于航空航天、船舶制造、化工及医疗等领域。

在航空航天领域中，钛合金的强度、刚度和疲劳性能都能满足要求，而且它的低密度使得重量轻，有助于提高飞行器的载荷能力，从而在制造飞机、导弹和卫星等方面有着广泛的应用。

此外，钛合金还具有良好的高温稳定性，能够在高温环境下长时间稳定使用，因此也被广泛用于制造发动机、涡轮引擎、燃气轮机等部件。

在船舶制造领域中，钛合金的耐蚀性是其主要优势之一。它能够在海水中长期稳定使用，不会被海水腐蚀和生物污染，因此被广泛应用于制造海洋工程设备、潜艇、核潜艇等。

总之，钛合金具有高比强度和优异的耐腐蚀性，是一种广泛应用于航空航天、船舶制造等领域的先进材料。随着科技的不断进步和应用领域的扩大，钛合金的应用前景将更加广阔。

但是传统的锻造和机械加工钛合金结构件的工艺存在一些问题，如周期长、材料利用率低、成本高等缺点。

首先，钛合金具有较低的热导率，导致传统的加工方法（如锻造和机械加工）需要较长的加工时间和周期。这增加了制造成本和周期，并降低了生产效率。

其次，钛合金价格较高，这也是影响其应用的一个因素。传统的加工方法需要消耗大量的原材料，如果材料利用率低，将会增加生产成本。

因此，研究和发展新的钛合金制造技术是非常有必要的。

例如，逐渐被广泛应用的3D打印技术可以通过精确的控制和定制化的制造过程，提高材料利用率和生产效率，从而减少制造钛合金结构件的成本。

此外，还有其他新的钛合金制造技术不断涌现，如粉末冶金、激光制造等。

这些新技术能够有效地解决传统制造方法存在的问题，提高生产效率，减少生产成本，推动钛合金在未来的发展。

一、增材制造

增材制造技术为钛合金结构件制造提供了一条新的途径。增材制造是一种通过逐层添加材料来构建复杂结构的制造方法，它可以通过从头开始设计、构建并定制化生产最终产品。

增材制造技术可以将钛合金材料按照设计要求精确地添加到预定位置，从而减少垃圾和浪费。这一过程不但可以提高材料利用率，降低成本和周期，还可以节省人力资源。

此外，增材制造技术还可以生产价格更加合理的中空结构件，而传统的加工方法则需要先制造实心块，再进行空心部分的制造，这会增加成本和周期。

总的来说，增材制造技术的优点为钛合金结构件制造提供了新的途径，它具有更高的效率和更加低的成本，从而推动钛合金的应用。

而增材制造技术中常见的一种方法是采用高能热源对钛合金粉材或丝材进行逐层熔化/凝固堆积，从而实现钛合金零件的近净成形。这种方法也被称为激光熔化成形。

在这种方法中，使用激光束、电子束、等离子弧等高能热源直接作用于钛合金粉末或丝材表面，使其迅速熔化并凝固，逐步完成三维的构建。

这个过程能够在一个精确的控制环境下进行，确保结构件的精度和质量。

采用高能热源进行逐层熔化/凝固堆积的方法，可以大大提高制造零件的灵活性和自由度，可以制造复杂的几何形状和内部孔洞结构。

同时，这种方法可以极大地减少材料的浪费和损耗，提高制造效率和生产效率。

总的来说，采用高能热源对钛合金粉材或丝材进行逐层熔化/凝固堆积是一种非常有效的方法，可以实现钛合金零件的近净成形，并且可以保证零件的精度和质量。

二、脉冲频率和热输入的影响

根据选用的热源不同，现有的金属增材制造技术主要可以分为激光、电子束、电弧三类。

利用激光束将金属粉末或线材逐层熔化、凝固形成零件的制造技术。

激光增材制造技术具有制造精度高、材料损耗少、制造速度较快、具有较高的自由度和灵活性等优点，广泛应用于航空、航天、医疗和汽车等领域。

利用电子束将金属粉末逐层熔化、凝固形成零件的制造技术。电子束增材制造技术具有制造速度快、能量效率高、精度高等优点，适用于制造大型零件、成本高、形状复杂的零件等。

利用电弧将金属丝材作为电极，通过熔化电弧对金属粉末或线材进行逐层熔化、凝固形成零件的制造技术。

电弧增材制造技术具有制造速度快、器材成本低等优点，适用于制造大型零件和硬质金属零件等。

相比其他2类增材制造技术，电弧增材制造具有材料利用率高、成形速度快、设备成本低等优点。

比如其材料利用率高，电弧增材制造技术可以采用不同的金属丝材作为电极，从而实现金属利用率的最大化。

成形速度快：电弧增材制造技术可以采用高电流、高电压的方式瞬间加热金属材料，从而实现更快的成形速度。

设备成本低：相比其他两类增材制造技术，电弧增材制造技术的设备成本较低，更适合小型生产企业进行制造。

虽然电弧增材制造技术有这些优点，但也存在一些缺点。

例如电弧增材制造技术存在热输入大、能量分布较为分散的缺点，这也导致了一些问题，例如钛合金零件成形精度较差，晶粒粗大等。

这主要是由于电弧加热的过程中，存在极高的温度梯度和相变。这些因素导致了材料的热变形和残余应力等问题，从而影响了成形精度和表面质量。

同时，由于高温度梯度导致β晶粒外延生长形成柱状晶粒，这会进一步导致零件在力学性能上表现出明显的各向异性。

这是因为柱状晶粒的形成，导致了材料在某些方向上的晶格定向和晶格畸变，从而影响了其力学性能，尤其是在疲劳寿命、塑性变形和断裂韧性等方面。

为了解决这个问题，需要采用一些针对性的调控措施。其中，材料选择和预处理是非常关键的一步。

应选择适合电弧增材制造的钛合金材料，并采用适当的热处理方式，优化晶粒尺寸和形态，并提高其晶界结合强度。

此外，也可以通过修改电弧加热策略、降低电弧功率等方式调控热输入，控制晶粒生长的形态和方向。

另外，还可以通过机械加工等后续工艺，对零件进行表面处理和改善晶界结合状态，进一步提高其力学性能。

而为细化β晶粒尺寸，促进等轴晶粒的生成，相关的科研机构开展了大量研究，例如在TC4合金中添加微量元素，优化工艺参数，以及采用快速凝固技术等手段。

三、TC4钛合金

TC4是一种广泛应用的钛合金，它是由钛、铝、铁和钒等元素组成的β型钛合金。

TC4合金的优异性能源自其合金元素的组合和比例。其中，钛元素的高比重和优异的力学性能是其出色性能的基础，而铝元素的加入可以有效提高合金的强度和硬度。

铁元素可以提高合金的硬度和磨削性能，而钒元素则可以提高合金的强度和可焊性。

此外，TC4合金还具有优异的耐腐蚀性能。钛具有出色的耐腐蚀性能，而铝和铁元素可以增加合金的抗氧化性和耐蚀性。

TC4合金还可以在高温条件下保持其力学性能，因此也被广泛应用于高温环境中。

而在TC4合金中添加微量元素，如Zr、Nb等，可以有效细化β晶粒尺寸和促进等轴晶粒的生成。

这是因为这些元素具有特殊的晶格结构和化学特性，可以引起晶粒细化作用，同时也可以提高晶界能量，促进等轴晶粒的形成。

工艺参数的优化也是实现β晶粒细化和等轴晶粒生成的重要途径。

通过优化电弧加热参数、扫描速度、气氛成分等工艺参数，可以控制热输入和晶粒生长速率，从而实现晶粒细化和等轴晶粒的生成。

快速凝固技术是另外一种有效的方法。该技术利用高速冷却的方式，迅速凝固液态合金，从而获得细小的晶粒和均匀的组织。

快速凝固技术可以通过多种手段实现，如水淬、等离子喷涂、激光熔化等，具有良好的潜力和应用前景。

总之，为了实现β晶粒尺寸的细化和等轴晶粒的生成，需要结合多种手段，从材料选择、元素添加、工艺优化到新技术的探索等方面进行综合考虑。

技术的不断创新和进步，也将为制备高性能、高质量的增材制造零件提供更多选择和可能性。

四、结论

而本次观察0.5~5000Hz的脉冲频率和不同的热输入成形单道多层试样，研究脉冲频率和热输入对TIG电弧增材制造TC4形貌及组织的影响。

脉冲电弧增材制造中，单道多层试样的宽度主要与平均热输入及峰值阶段输入的热量相关。

提高平均热输入，试样的宽度增加；提高脉冲频率，试样宽度先快速减小，随后略有增大。

提高脉冲频率能够增加电弧压力和电磁力，促进熔池内液态金属的流动，使树枝晶破碎并且能够降低温度梯度。

因此，随着脉冲频率提高，β柱状晶转变为等轴晶，晶粒得到细化。增加热输入同样能够降低温度梯度，有利于形成等轴晶。

此外，适当的热输入和频率可以促进钛合金的再结晶，进一步优化其微观组织和力学性能。

因此，在TIG电弧增材制造过程中，通过调整脉冲频率和热输入参数，可以实现对TC4材料性能的精确控制和提升，这对于该材料的工业应用有着重要的意义。

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参考文献

【1】[1]陈伟.CMT电弧增材制造TC4钛合金组织及力学性能调控[D].南昌航空大学.

【2】[1]杨光,王斌,钦兰云,等.激光和电弧增材制造TC4钛合金组织和性能研究[J].稀有金属,2018,42(9):6.

【3】[1]杨海欧王健周颖惠王冲林鑫.电弧增材制造技术及其在TC4钛合金中的应用研究进展[J].材料导报,2018,032(011):1884-1890.

【4】MaK,RenS,SunH,MaX.MoleculardynamicssimulationsofTC4titaniumalloywithmechanicalpropertycalculationsaftervariousheattreatments.PhysChemChemPhys.2022Oct27;24(41):25367-25372.doi:10.1039/d2cp03739d.PMID:36239228.

【5】Rodríguez-GonzálezP,Ruiz-NavasEM,GordoE.WireArcAdditiveManufacturing(WAAM)forAluminum-LithiumAlloys:AReview.Materials(Basel).2023Feb6;16(4):1375.doi:10.3390/ma16041375.PMID:36837006;PMCID:PMC9959163.