TC4钛合金表面电子束熔覆Ti40阻燃钛合金工艺研究

作者:吴中文;黄春平;江畅; 刊名:精密成形工程 上传者:邢志华

【摘要】目的在TC4表面熔覆一层Ti40阻燃钛合金,并研究熔覆试样的组织与力学性能。方法采用电子束在TC4钛合金表面熔覆一层Ti40阻燃钛合金。采用光学显微镜(OM)分析熔覆试样的显微组织,用显微硬度计分析熔覆试样的显微硬度,用电子万能拉伸试验机分析熔覆试样的力学性能。结果在选定的最佳工艺参数下,熔覆层与基材熔合良好,熔覆层为均匀分布的等轴β晶粒,表面及熔合区组织晶粒细化。添加椭圆形扫描波形能使气孔缺陷明显减少,表层更加均匀,组织更细小。扫描波形对熔覆层显微硬度的整体分布形态影响不明显,Ti40熔覆层在上表面及熔合区附近的显微硬度比熔覆层中部略高。室温下力学性能测试结果表明,加扫描时成形试样的抗拉强度为857.3MPa,相对于基材降低了些许,断裂伸长率达到了42.69%,比TC4钛合金基材提升了约70%。结论采用电子束在TC4表面熔覆Ti40阻燃钛合金,能够获得良好的熔覆层组织以及力学性能。

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钛合金具有密度小、比强度高、耐高温、抗腐蚀的实际意义和应用价值。及韧性较好等优点,被广泛应用于航空工业领域,尤其是航空发动机的制造,但是飞机发动机在使用状态1材料及方法下钛合金容易着火燃烧,钛火极大限制了钛合金在航空发动机上的应用。阻燃钛合金是为应对钛火隐患而将基材TC4和熔覆层阻燃钛合金Ti40经机械加研制的专用材料,阻燃钛合金在航空发动机上的应用工成所需要的尺寸,见图1。电子束熔覆修复过程见成为发动机防钛火的关键技术之一[1—2]。图2。材料的化学成分和力学性能分别见表1和表2。熔覆前使用酸洗液(HF︰HCl︰HNO3︰H2O=1︰3︰为了满足我国研制高推重比、高性能先进发动机5︰10)对Ti40熔覆层及TC4基材进行酸洗,接着用的要求,我国先后确定了两种体系的阻燃钛合金:丙酮、无水乙醇等溶液去除材料表面杂质。采用真空Ti-Al-Cu-Si系的Ti14合金和Ti-V-Cr系的Ti40合金。两种合金虽然阻燃机理不完全相同[3]电子束在TC4基板上熔覆Ti40,保持加速电压Ua为,但都具有良好60 kV不变,采用工作距离为275 mm且保持不变,的阻燃性能。其中,Ti40合金是具有国际先进水平的新型高稳定β钛合金[4—5]改变其他的工艺参数(电子束流Ib、熔覆速度v、聚,钼当量为40,合金元素质量分数为40%,己在变形机理、阻燃机理[6]焦电流If),分析不同工艺参数对熔覆的影响。焊、高温氧化机理[7]、组织与性能关系[8]后切取熔覆层横截面制成金相试样,金相试样采用等方面做了大量的研究(HF︰HCl︰HNO3︰H2O=1︰3︰5︰10)溶液进行工作。研究发现Ti40合金具有良好的室温塑性,但腐蚀。采用金相显微镜分析熔覆层的组织,采用维氏高温塑性较差。低的高温塑性使该合金在高温变形显微硬度计、电子万能拉伸试验机对熔覆接头力学性时,金属流动困难,晶界易开裂,致使合金的热加工能进行测试。困难[9—11]。为了强化不同类型钛合金的阻燃性能,对不同类型钛合金进行表面改性,传统的材料表面改性方法包括电镀、TIG堆焊、热喷涂、钎焊等。这些工艺在工业生产中得到了广泛的应用,但是这些方法也存在一定局限性。电镀层的厚度较小,一般小于0.3 mm,且和基体的结合情况差。TIG堆焊热量输入较大,使得基材组织发生变化并容易造成应变开裂等缺陷。热喷涂涂层与基体为机械结合,耐冲击性能不高,并且有一定的孔隙率。电子束熔覆与基图1电子束熔覆工件尺寸Fig.1 Dimension of electron beam cladding workpiece材冶金结合强度好,熔覆层不易剥落。电子束可控性好,易于实现自动化,熔覆的精度高。基体的热影响区小、变形小、应力小。快速受热后,冷却熔凝使组织细化程度好。熔覆完成后仅需少量的加工即可使用。Ti40合金以其优越的阻燃性能获得了广阔的应用前景,通过对TC4钛合金表面熔覆Ti40合金以强化阻燃性能。目前,国内针对钛合金电子束熔覆工艺的报道甚少,文中通过相关实验研究,对Ti40合金电子束熔覆工艺及组织与性能进行了研究,具有很强图2电子束熔覆修复示意图Fig.2 Schematic picture of electron beam cladding repair 表1 Ti40和TC4的化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical constituents of Ti40 and TC4 (mass fraction)%化学成分合金牌号Al Fe Cr V Si C N H O TiTi40 15 25 0.36 0.20 0.05 0.0

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