CN105510550A - 一种提升增材钛合金材料疲劳性能的方法 - Google Patents

Abstract

一种提升增材钛合金材料疲劳性能的方法，涉及飞机结构件制造技术，将超声波搅拌技术与增材技术结合，获得组织细密均匀的增材钛合金材料，并设计开展疲劳试验，验证显微组织细密度对于疲劳性能的增强作用。通过合理选取超声波功率和作用温度，可以制造出晶粒度与锻造钛合金晶粒度接近的材料，其疲劳性能能够达到锻造钛合金的水平，进而提升增材制造钛合金材料的疲劳性能。本发明提供的提升增材钛合金材料疲劳性能的方法从根本上解决了增材钛合金晶粒粗大疲劳性能差的问题；获得疲劳性能优异的增材钛合金，可以直接应用于工业设计；同样可以推广至其他的增材制造金属材料制件。

Description

一种提升增材钛合金材料疲劳性能的方法

技术领域

本发明涉及飞机结构件设计技术领域，具体而言，涉及一种提升增材钛合金材料疲劳性能的方法。

背景技术

增材制造钛合金在航空航天领域具有广泛的应用前景。因为传统钛合金构件的机械加工较困难，尤其形状复杂的钛合金模锻件，往往需要大量的模具和设备，才能完成制造，成本高，耗时长。增材制造技术可以解决复杂形状的问题，实现大尺寸、复杂形状钛合金构件的成型，为新型航空航天钛合金构件的设计提供了基础。

增材制造钛合金材料的静强度较高，能够达到锻造钛合金的水平，但疲劳强度差且分散性大。试验研究表明，增材钛合金易开裂，较高应力水平下疲劳强度低。对于形状复杂的零部件，其拐角、尖端等区域会由于成型过程中的温度不均匀而出现气孔甚至内埋裂纹，严重降低整个结构件的疲劳寿命。

对增材钛合金的显微组织研究表明，由于其微滴凝固成型的工艺过程，增材钛合金的显微组织粗大，柱状晶和支晶多，晶界不规则，在疲劳载荷下易出现裂纹源且不能有效抑制裂纹扩展。相比于锻造钛合金而言，锻造钛合金晶粒细密均匀，晶界很好地阻止了裂纹的扩展，疲劳性能好。如何让增材钛合金的显微组织能够与锻件相近，其疲劳性能得到提升甚至达到锻件水平，这是影响着增材钛合金能够得到广泛使用的关键。

超声波显微搅拌技术，在多种金属材料的铸造和焊接工艺中都有应用。其基本原理为将超声波直接或间接地施加到熔融态金属液体中，而后再固化成型。超声产生的巨大冲击波能够打碎和细化显微组织；机械作用能够加速熔池内液体流动增加组织均匀性；而超声的热作用能够使熔池内熔融金属温度区域均匀。采用超声波搅拌技术制造的材料，显微组织细小均匀致密，气孔少，成材的强度、延伸率、硬度、耐磨性等性能都有较大提高。且该方法与传统的机械搅拌法相比，具有设备简单、成本低廉、操作方便、无污染等特点。

现在亟需解决的技术问题是如何设计一种提升增材钛合金材料疲劳性能的方法，将超声波显微搅拌技术与增材制造钛合金技术结合。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中的不足，提供一种提升增材钛合金材料疲劳性能的方法，该方法将超声波显微搅拌技术与增材制造钛合金技术结合，不仅提升了增材钛合金的疲劳性能，并且所采用的设备简单、成本低廉、操作方便、无污染。

本发明的目的通过如下技术方案实现：一种提升增材钛合金材料疲劳性能的方法，包括如下步骤：

S1，设计疲劳试验；

S2，制备增材钛合金材料；

S3，加工用于疲劳试验的增材钛合金材料试验件；

S4，进行疲劳试验；

S5，确立超声搅拌工艺对疲劳强度的影响的曲线；

S6，在S5中的曲线上确认与锻造件疲劳值强度相同的位置。

上述方案中优选的是，S1中疲劳试验所采用的增材钛合金材料试验件为带孔方板，且设计1组传统锻造钛合金试验件。

上述任一方案中优选的是，S1中沿两个方向对增材钛合金材料试验件进行切割，所述两个方向分别为增材制造材料的沉积方向与垂直于增材制造材料的沉积方向。

上述任一方案中优选的是，S2中，选取多组超声波搅拌功率加工增材钛合金母材，并对其进行显微分析。

上述任一方案中优选的是，在S3中，按照S1中设计的切割方向分别切割试验件外廓，然后再钻孔，待试验件成型结束后，对试验件进行表面处理。

上述任一方案中优选的是，对试验件进行表面处理的类型根据实验目标和试验件的用途决定。

上述任一方案中优选的是，S5中绘制的曲线为各组试验件的应力-寿命曲线，并在应力-寿命曲线画出95％置信度的置信区间。

上述任一方案中优选的是，根据S5中绘制的应力-寿命曲线对实验数据进行分析，绘制“晶粒尺寸-疲劳强度”曲线，“超声波功率-晶粒尺寸”和“超声波功率-疲劳强度”曲线，给出超声搅拌对于增材钛合金显微组织的影响和对于疲劳强度的影响规律。

上述任一方案中优选的是，S6中，在S5绘制的曲线上确定锻造钛合金材料数据相同的位置。

本发明所提供的提升增材钛合金材料疲劳性能的方法的有益效果在于，

(1)从显微组织的层面研究增材钛合金的疲劳性能，利用超声波搅拌技术改善显微组织，从根本上解决了增材钛合金晶粒粗大疲劳性能差的问题；该研究对于增材金属材料的疲劳性能研究具有重大的指导意义；

(2)通过疲劳试验数据找到合适的晶粒尺寸以及对应的超声波工艺参数，进而获得疲劳性能优异的增材钛合金，可以直接应用于工业设计，解决了工程设计中材料性能分散性大难于设计使用的问题，将增材钛合金的大范围使用奠定了基础；

(3)通过本发明提供的提升增材钛合金材料疲劳性能的方法，可以推广至其他的增材制造金属材料，为增才技术的广泛应用提供了条件。

附图说明

图1是按照本发明的提升增材钛合金材料疲劳性能的方法的一优选实施例的流程示意图；

图2是按照本发明的提升增材钛合金材料疲劳性能的方法的图1所示优选实施例的钛合金增材试验件的结构示意图，其中箭头表示增材钛合金材料的沉积方向；

图3是按照本发明的提升增材钛合金材料疲劳性能的方法的图1所示实施例的钛合金增材试验件的结构示意图，其中箭头表示垂直增材钛合金材料的沉积方向；

图4是照本发明的提升增材钛合金材料疲劳性能的方法的图1所示实施例的S-N曲线。

具体实施方式

为了更好地理解按照本发明方案的提升增材钛合金材料疲劳性能的方法，下面结合附图对本发明的提升增材钛合金材料疲劳性能的方法的优选实施例作进一步阐述说明。

如图1-图4所示，本发明提供的提升增材钛合金材料疲劳性能的方法，利用超声波搅拌增材钛合金材料，包括如下步骤：S1，设计疲劳试验；S2，制备增材钛合金材料；S3，加工用于疲劳试验的增材钛合金材料试验件；S4，进行疲劳试验；S5，确立超声搅拌工艺对疲劳强度的影响的曲线；S6，在S5中的曲线上确认与锻造件疲劳值强度相同的位置。

本发明提供的提升增材钛合金材料疲劳性能的方法的上述步骤S1中疲劳试验所采用的增材钛合金材料试验件为带孔方板，且设计1组传统锻造钛合金试验件。S1中沿两个方向对增材钛合金材料试验件进行切割，所述两个方向分别为增材制造材料的沉积方向与垂直于增材制造材料的沉积方向。

本发明提供的提升增材钛合金材料疲劳性能的方法的上述步骤中，S2选取多组超声波搅拌功率加工增材钛合金母材，并对其进行显微分析。在S3中，按照S1中设计的切割方向分别切割试验件外廓，然后再钻孔，待试验件成型结束后，对试验件进行表面处理。对试验件进行表面处理的类型根据实验目标和试验件的用途决定。

S5中绘制的曲线为各组试验件的应力-寿命曲线，并在应力-寿命曲线画出95％置信度的置信区间。根据S5中绘制的应力-寿命曲线对实验数据进行分析，绘制“晶粒尺寸-疲劳强度”曲线，“超声波功率-晶粒尺寸”和“超声波功率-疲劳强度”曲线，给出超声搅拌对于增材钛合金显微组织的影响和对于疲劳强度的影响规律。S6中在S5绘制的曲线上确定锻造钛合金材料数据相同的位置。

下面结合本发明的提升增材钛合金材料疲劳性能的方法的一具体的优选实施例对本发明的提升增材钛合金材料疲劳性能的方法进一步说明。

S1，设计疲劳试验

根据研究需求，设计9组带孔方板的疲劳S-N曲线测定试验。选择4种超声搅拌功率，2种试验件沉积方向，1种对应的锻造钛合金材料试样。试验件规划如0。

表1，试验件数量汇总

S2，制备增材钛合金材料，以及S3，加工用于疲劳试验的增材钛合金材料试验件；

带孔方板试验设计如图1和图2所示。对试样材料进行采样和显微观察，测定其平均晶粒尺寸，记录至0。

S4，进行疲劳试验；

通过上述步骤，在增材钛合金材料试验件之后，使用增材钛合金材料试验件进行疲劳试验。

按照国军标开展带孔方板的等幅谱疲劳试验，应力比R＝0.1，频率15Hz。将结果整理至双对数坐标系，并拟合曲线：

log(N)＝A+Blog(S)

其中：

S为最大名义应力；

N为疲劳周次；

A和B为待定参数。

根据试验方案，对于9组试样分别开展疲劳试验，测定并绘制各组试样的应力-寿命曲线(S-N曲线)。绘制S-N曲线时，需要按照要求画出95％置信度的置信区间。从曲线上查出规定寿命所对应的应力水平，即为该组试样的疲劳强度。

S5，确立超声搅拌工艺对疲劳强度的影响的曲线(如图3所示)；

分析实验数据和结果，绘制“晶粒尺寸-疲劳强度”曲线，“超声波功率-晶粒尺寸”和“超声波功率-疲劳强度”曲线，给出超声搅拌对于增材钛合金显微组织的影响和对于疲劳强度的影响规律。

在曲线中找到锻造钛合金数据的位置，作为工程实际中设计使用增材钛合金的依据。具体使用方法有2种：

(1)以这个位置为目标进行工艺设计，选择合适的超声搅拌功率以获得性能接近传统锻造钛合金的材料；

(2)当实际工艺条件与最优情况不符时，可以计算实际工艺所产出的材料的性能与传统锻件性能的差异(以修正系数或者其他形式表示)，利用修正或者增补的办法完成实际设计和使用。

利用S-N曲线和公式，求得N＝2×106对应的S，即为疲劳强度，记录至0。

表2超声搅拌增材钛合金疲劳试验结果记录表

分析实验数据和结果，绘制“晶粒尺寸-疲劳强度”曲线，“超声波功率-晶粒尺寸”和“超声波功率-疲劳强度”曲线，给出超声搅拌对于增材钛合金显微组织的影响和对于疲劳强度的影响规律。

S6，在S5中的曲线上确认与锻造件疲劳值强度相同的位置。

在曲线中找到锻造钛合金数据的位置，作为工程实际中设计使用增材钛合金的依据。具体使用方法有2种：

(1)以这个位置为目标进行工艺设计，选择合适的超声搅拌功率以获得性能接近传统锻造钛合金的材料；

(2)计算实际工艺所产出的材料的性能与传统锻件性能的差异及修正系数，利用修正或者增补的办法完成实际增材钛合金的使用。

以上结合本发明的提升增材钛合金材料疲劳性能的方法具体实施例做了详细描述，但并非是对本发明的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改均属于本发明的技术范围，还需要说明的是，按照本发明的提升增材钛合金材料疲劳性能的方法技术方案的范畴包括上述各部分之间的任意组合。

Claims (9)

1.一种提升增材钛合金材料疲劳性能的方法，其特征在于，利用超声波搅拌增材钛合金材料，包括如下步骤：

S1，设计疲劳试验；

S2，制备增材钛合金材料；

S3，加工用于疲劳试验的增材钛合金材料试验件；

S4，进行疲劳试验；

S5，确立超声搅拌工艺对疲劳强度的影响的曲线；

S6，在S5中的曲线上确认与锻造件疲劳值强度相同的位置。

2.如权利要求1所述的提升增材钛合金材料疲劳性能的方法，其特征在于，S1中疲劳试验所采用的增材钛合金材料试验件为带孔方板，且设计1组传统锻造钛合金试验件。

3.如权利要求2所述的提升增材钛合金材料疲劳性能的方法，其特征在于，S1中沿两个方向对增材钛合金材料试验件进行切割，所述两个方向分别为增材制造材料的沉积方向与垂直于增材制造材料的沉积方向。

4.如权利要求1所述的提升增材钛合金材料疲劳性能的方法，其特征在于，S2中，选取多组超声波搅拌功率加工增材钛合金母材，并对其进行显微分析。

5.如权利要求1或2所述的提升增材钛合金材料疲劳性能的方法，其特征在于，在S3中，按照S1中设计的切割方向分别切割试验件外廓，然后再钻孔，待试验件成型结束后，对试验件进行表面处理。

6.如权利要求5所述的提升增材钛合金材料疲劳性能的方法，其特征在于，对试验件进行表面处理的类型根据实验目标和试验件的用途决定。

7.如权利要求1所述的提升增材钛合金材料疲劳性能方法，其特征在于，S5中绘制的曲线为各组试验件的应力-寿命曲线，并在应力-寿命曲线画出95％置信度的置信区间。

8.如权利要求7所述的提升增材钛合金材料疲劳性能方法，其特征在于，根据S5中绘制的应力-寿命曲线对实验数据进行分析，绘制“晶粒尺寸-疲劳强度”曲线，“超声波功率-晶粒尺寸”和“超声波功率-疲劳强度”曲线，给出超声搅拌对于增材钛合金显微组织的影响和对于疲劳强度的影响规律。

9.如权利要求1或8所述的提升增材钛合金材料疲劳性能方法，其特征在于，S6中，在S5绘制的曲线上确定锻造钛合金材料数据相同的位置。