硼变质激光熔化沉积TC4的低周疲劳性能

霍浩; 张安峰; 齐振佳; 吴梦杰; 王豫跃; 王普强

doi:doi:10.3788/CJL202047.1202003

中国激光, 2020, 47 (12): 1202003, 网络出版: 2020-11-27

硼变质激光熔化沉积TC4的低周疲劳性能下载： 728次

Low-Cycle Fatigue Performance of Boron-Modified TC4 Deposited by Laser Melting

论文大纲

霍浩 ¹张安峰 ^1,*齐振佳 ²吴梦杰 ¹王豫跃 ²王普强 ²

作者单位

¹ 西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室, 陕西西安 710049

² 西安交通大学金属材料强度国家重点实验室, 陕西西安 710049

AI 词云图 AI语音精读 AI语音超短摘要

注：本部分内容由 AI 自动生成，请您知悉。

摘要

研究了激光熔化沉积硼变质TC4钛合金材料在不同应变幅值下的低周疲劳性能。结果表明,激光熔化沉积硼变质TC4样件在0.8%~1.0%应变幅值下的低周疲劳性能与退火态锻件相当。通过对比分析固溶时效态激光熔化沉积硼变质TC4与退火态TC4锻件的微观组织、低周疲劳性能可以发现,当经受高于1.0%的应变幅值时,固溶时效态激光熔化沉积硼变质TC4的网篮组织比TC4退火态锻件的双态组织具有更好的抵抗裂纹扩展的能力。此外,固溶时效态激光熔化沉积硼变质TC4钛合金在各种应变幅值下均发生了不同程度的循环软化行为。最后采用扫描电镜对固溶时效态激光熔化沉积硼变质TC4钛合金的低周疲劳断口形貌进行了观察,并研究了低周疲劳失效过程中裂纹的扩展过程。

Abstract

This paper investigates the low-cycle fatigue performance of boron-modified TC4 titanium alloy deposited via laser melting at different strain amplitudes. The results reveal that the low-cycle fatigue performance of boron-modified TC4 titanium alloy deposited via laser melting is comparable to that of annealed forging when subjected to a strain amplitude of 0.8%--1.0%. A comparison of the microstructure and low-cycle fatigue performance of the boron-modified laser melting deposited TC4 in solid solution-aging state with the annealed TC4 forging is performed. It is found that as the strain amplitude is above 1.0%, the basket-shaped microstructure of the solid solution-aged boron-modified TC4 titanium alloy deposited via laser melting exhibits better resistance to crack propagation compared with the double phase microstructure of TC4 annealed forgings. Moreover, the solid solution-aged boron-modified TC4 titanium alloy obtained via laser melting deposition exhibits different degrees of cyclic softening behavior at different strain amplitudes. Finally, the morphologies of the low-cycle fatigue fractures of solid solution-aged boron-modified TC4 titanium alloy obtained via laser melting deposition are observed under a scanning electron microscope, and crack propagation during low-cycle fatigue failure is studied here.

1 引言

TC4钛合金具有比强度高以及耐腐蚀性和耐热性好等独特的性能优势,在航空零件制造领域具有重要的应用价值^[1-4]。然而,钛合金的熔点高、变形抗力大,采用传统方法制造时,不但成本高、难度大、周期长,而且材料的利用率也较低。激光熔化沉积技术具有高柔性化的成形特点,可以直接成形结构复杂的零件,因此能够很好地解决上述问题;但是,激光熔化沉积成形件的低周疲劳性能较差(低于退火态锻件),严重限制了TC4钛合金激光熔化沉积技术在成形大型飞机结构件领域的应用^[2]。

航空航天器上的零部件或构件有时需要承受很大的交变应力。如,飞机在起飞和降落时与其在高空稳定飞行时(承受比较均匀的载荷)相比,承受着更大的交变应力,该应力甚至可以超过材料的屈服强度。此外,在飞机起飞和降落时,零件承受的交变载荷的加载频率较低,导致零件在每一个循环周期内都会发生一定程度的塑性变形,周而复始,便导致了金属构件的疲劳断裂^[5]。目前,对于激光熔化沉积TC4合金低周疲劳性能的研究甚少,Ren等^[6]对激光熔化沉积TC4钛合金样件的低周疲劳性能进行测试后发现:在中等应变幅值下(0.8%~1.1%),TC4样件的低周疲劳性能与锻件相当;微小的表面缺陷(直径小于60 μm)也会降低样件的低周疲劳寿命。薛蕾等^[7]在恒应变比条件下测试了激光修复TC4钛合金样件的疲劳寿命,结果发现,在低应变区内,激光修复件的疲劳寿命高于母材。本文在前期研究中发现,先通过机械搅拌预制硼质量分数为0.05%的TC4粉,然后对预制合金粉进行激光熔化沉积,可以有效调控TC4的微观组织,并显著提高其拉伸性能^[1]。因此,本文基于前期对于硼变质处理激光熔化沉积TC4钛合金静载拉伸性能的研究,进行了固溶时效态硼变质激光熔化沉积TC4钛合金的低周疲劳性能研究,为改善激光熔化沉积TC4钛合金的低周疲劳性能提供了新方法。

2 试验材料与方法

试验用TC4球形粉末采用等离子旋转电极法制备,其化学成分见表1^[1],粉末粒径范围为50~100 μm。采用机械混合的方式制备硼质量分数为0.05%的TC4/B混合粉末:首先将称量好的TC4粉和硼粉置于真空干燥箱中,在120 ℃的条件下保温4 h,以去除粉末中的水分,提高粉末的流动性;然后,利用SBH-20三维混合机以40 r/min的转速对干燥后的TC4粉末和硼粉进行混合,混合时间为4 h。在进行激光熔化沉积试验前需将均匀混合的TC4/B粉末再次进行干燥处理。

表 1. TC4粉末的主要化学成分

Table 1. Main chemical composition of TC4 powders

Element	Al	V	Fe	C	O	N	H	Ti
Mass fraction /%	6.1	4.1	0.1	0.01	0.13	<0.01	0.001	Bal.

查看所有表

表 2. 激光熔化沉积TC4的工艺参数

Table 2. Laser melting deposition parameters of TC4 titanium alloy

Laserpower /W	Laser spotdiameter /mm	Scanning speed /(mm·s^-1)	Powder delivery /(g·min^-1)	Lapdistance /mm	Liftamount /mm	Power density /(J·mm^-2)
210	0.5	10	2.5	0.2	0.1	30.5

查看所有表

图1所示为TC4粉、硼粉以及混合粉末在扫描电镜(SEM)下的形貌,可见,硼粉均匀地黏附在TC4粉表面。

图 1. 扫描电镜下粉末的形态。(a) TC4球形粉末;(b)硼粉末;(c)低倍扫描电子显微镜下的TC4/B混合粉末;(d)高倍扫描电子显微镜下的TC4/B混合粉末

Fig. 1. Morphologies of experimental powders under scanning electron microscope. (a) TC4 spherical powders; (b) boron powders; (c) TC4/B mixed powders under low-power scanning electron microscope; (d) TC4/B mixed powder under high-power scanning electron microscope

下载图片查看所有图片

以硼变质TC4(TC4/B)合金粉末为原料,采用激光熔化沉积技术制备横向(H向)长方体状TC4试样15件,试样的尺寸均为14 mm×73 mm×14 mm。TC4钛合金试样的激光熔化沉积参数见表2^[8],成形试样如图2(a)所示。对激光熔化沉积成形试样进行固溶时效热处理(950 ℃/1 h,空冷+500 ℃/4 h,空冷),然后按图2(b)所示尺寸将其加工成标准疲劳试样,每个疲劳试样的标距部分沿纵轴抛光,表面粗糙度要求为不大于0.32 μm,以减小表面粗糙度对疲劳测试的影响。

图 2. 成形试样与低周疲劳标准光滑棒状试样的尺寸。(a)激光熔化沉积成形试样;(b)低周疲劳标准试样

Fig. 2. Dimension of formed specimen and standard smooth bar specimen for low-cycle fatigue test. (a) Laser melting deposited sample; (b) standard specimen for low-cycle fatigue test

下载图片查看所有图片

应变控制的室温低周疲劳测试按照国家标准GB/T 26077—2010《金属材料疲劳试验轴向应变控制方法》,采用轴向推拉疲劳试验方法,在恒定的应变振幅下进行,载荷类型为恒定爬升速率的三角波形,应变比R_ε=-1,加载频率f=0.3 Hz,应变水平分别为0.45%、0.60%、0.70%、0.80%和1.0%。在给定的应变幅值下测试三个试样的低周疲劳性能,以增加低周疲劳试验数据的可靠性;试样断裂后记录试样的低周疲劳寿命。

3 试验结果及讨论

3.1 低周疲劳模型与分析

目前,评估低周疲劳寿命的方法有很多种,而被广泛使用的方法有两种,一种是通用斜率法,另一种是局部应变法。通用斜率法是由Manson^[9]首先提出的,用以评估材料的低周疲劳性能。后来,为了提高低周疲劳寿命的预测精度,Muralidharan等^[10]提出了一种改进的通用斜率法。Ricotta^[11]在其著作中有关于应变寿命曲线估算方法的详细说明。

Basquin-Coffin-Manson方程将施加的应变幅值与失效反向数关联起来^[12-13]。同时,应变控制的低周疲劳测试方法也被广泛用来预测材料的疲劳寿命^[14]。通常,总应变幅值可分为弹性应变幅值和塑性应变幅值,即

Δ ε / 2 = Δ ε_{e} / 2 + Δ ε_{p} / 2 。 (1)

式中:Δε/2为总应变幅值;Δε_e/2为弹性应变幅值;Δε_p/2为塑性应变幅值。Basquin方程和Coffin-Manson方程分别反映了对应总应变幅值下弹性应变分量和塑性应变分量与失效反向数的关系。Basquin方程和Coffin-Manson方程的表达式分别为

\begin{array}{l} Δ ε_{e} / 2 = \frac{σ'_{f}}{E} (2 N_{f})^{b}, (2) \\ Δ ε_{p} / 2 = ε'_{f} (2 N_{f})^{c}, (3) \end{array}

式中:σ'_f为疲劳强度系数;ε'_f为疲劳延性系数;b为疲劳强度指数;c为疲劳延性指数;2N_f为失效反向次数。

根据(1)~(3)式,可以得到总应变幅值与疲劳寿命之间的关系为

Δ ε / 2 = \frac{σ'_{f}}{E} (2 N_{f})^{b} + ε'_{f} (2 N_{f})^{c} 。 (4)

表3列出了激光熔化沉积硼变质TC4钛合金固溶时效试样室温低周疲劳性能的测试结果。根据Basquin-Coffin-Manson方程以及所得的低周疲劳测试数据,利用Origin软件在双对数坐标上对失效反向数和应变幅值进行拟合,得到的曲线如图3所示。根据图3可以得到总应变幅值与失效反向数的关系为

\begin{array}{l} Δ ε / 2 = 0.0193 (2 N_{f})^{- 0.1225} + \\ 409.2284 (2 N_{f})^{- 1.5898} 。 (5) \end{array}

表 3. 固溶时效态激光熔化沉积硼变质TC4钛合金室温低周疲劳性能的测试结果

Table 3. Measured room temperature low-cycle fatigue property of solid solution-aged boron-modified TC4 titanium alloy deposited via laser melting

No.	Total strainamplitude /%	Elasticstrain /%	Plasticstrain /%	Failurereversal number	Stressamplitude /MPa	Note
1-1	1.0	0.754	0.246	2290	868
1-2	1.0	0.776	0.224	1628	893
1-3	1.0	0.779	0.221	1258	903
2-1	0.8	0.690	0.110	4674	807
2-2	0.8	0.710	0.090	3390	817
2-3	0.8	0.680	0.120	4016	779
3-1	0.7	0.670	0.030	8078	780
3-2	0.7	0.630	0.070	7690	739
3-3	0.7			9004		Off the gauge
4-1	0.6	0.595	0.005	27838	706
4-2	0.6	0.598	0.002	17084	699
4-3	0.6			8004		Off the gauge
5-1	0.45	0.450	0	90758	529
5-2	0.45	0.450	0	122814	533
5-3	0.45			103924		Off the gauge

查看所有表

图 3. 固溶时效态硼变质激光熔化沉积TC4钛合金的低周疲劳应变-寿命曲线

Fig. 3. Low-cycle fatigue strain-life curves of solid solution-aged boron-modified TC4 titanium alloy deposited via laser melting

下载图片查看所有图片

图4给出了固溶时效态激光熔化沉积硼变质TC4与退火态TC4锻件的应变-寿命曲线,可见:在较高的应变幅值区域(应变幅值大于1.0%),固溶时效态激光熔化沉积硼变质TC4钛合金的低周疲劳性能优于退火态锻件的低周疲劳性能^[15];当应变幅值在0.8%~1.0%之间时,固溶时效态硼变质激光熔化沉积TC4钛合金的低周疲劳性能与退火态锻件的相当;当应变幅值低于0.8%时,退火态锻件的低周疲劳性能更好。

图 4. 固溶时效态硼变质激光熔化沉积TC4和退火态TC4锻件的应变-寿命曲线

Fig. 4. Strain life curves of solid solution-aged boron-modified TC4 titanium alloy deposited via laser melting and annealed TC4 forging

下载图片查看所有图片

采用扫描电子显微镜对两种工艺下TC4钛合金的微观组织进行观察,结果如图5所示,退火态TC4钛合金锻件的组织表现为双态微观结构,由等轴α相和β相组成,而固溶时效态激光熔化沉积硼变质TC4钛合金的微观组织呈网篮状。

图 5. TC4钛合金的微观组织。(a)退火态锻件; (b)固溶时效态激光熔化沉积硼变质TC4钛合金

Fig. 5. Microstructures of TC4 titanium alloys. (a) Annealed TC4 forging; (b) solid solution-aged boron-modified TC4 titanium alloy deposited via laser melting

下载图片查看所有图片

Hall等^[16]和Lütjering^[17]指出,具有网篮状α+β组织的钛合金具有较高的低周疲劳性能。这是因为这种组织必定是沿着具有许多小刻面的曲折裂纹路径发生断裂,相当于增加了裂纹的总长度,并会消耗较多的能量,从而提高了合金的抗裂纹扩展能力。同时,这也与低周疲劳性能测试的结果相吻合,当应变幅值高于1.0%时,固溶时效态激光熔化沉积成形的硼变质TC4钛合金的低周疲劳性能优于锻件,裂纹沿相界的扩展过程可以用微观裂纹扩展原理来解释。如图6所示,网篮组织具有更长的相界,即裂纹沿着相界扩展的路径更长,需要消耗更多的能量,而双态组织裂纹沿着相界扩展的路径更为顺畅,需要消耗的能量更少。在应变幅值低于0.8%的低应变区域,由于应变幅值较小,低周疲劳性能可能更多地取决于钛合金的综合力学性能,而锻件的双态组织相较于网篮组织具有更高的强度和延展性,因此其在低应变幅值下的低周疲劳性能更高。

图 6. 两种微观组织的裂纹扩展示意图。(a)网篮组织;(b)双态组织

Fig. 6. Schematics of crack propagation of two microstructures. (a) Basket microstructure; (b) two-state microstructure

下载图片查看所有图片

3.2 循环软化行为

TC4钛合金在经过循环加载的交变载荷后通常会表现出循环软化行为^[18]。为了进一步研究固溶时效态硼变质激光熔化沉积TC4试样的循环软化行为,本文分别作出了各应变幅值下第一次循环、半寿命循环、全寿命循环的应力应变迟滞回线族,如图7所示。当应变幅值为0.45%时,迟滞回线近似为线性,宽度接近零,这表明此时试样仅产生了可以忽略的微小塑性变形。随着应变幅值增大,应力应变迟滞回线所围面积逐渐增大,而回线所围面积表示的是塑性应变能,这说明塑性应变能与总应变幅值成正相关。当应变幅值为1.0%时,出现了较宽的迟滞回线,塑性应变能最大。此外,在给定的应变幅值下,随着循环次数增加,应力幅值逐渐减小。这些结果表明,固溶时效态激光熔化沉积硼变质TC4钛合金试样在应变控制的低周疲劳试验中表现出了循环软化行为。循环软化比可以反应循环软化的程度,循环软化比^[19]的表达式为

α_{CSR} = (Δ σ^{\max} - Δ σ^{half}) / Δ σ^{\max}, (6)

式中:α_CSR为循环软化比;Δσ^max为最大应力幅值;Δσ^half为半寿命时的应力幅值。从图7(f)可以得出,随着应变幅值增大,循环软化的程度加剧。

图 7. 不同应变幅值下的迟滞回线以及循环软化比随应变幅值的变化。(a) 0.45%应变幅值下的迟滞回线;(b) 0.6%应变幅值下的迟滞回线;(c) 0.7%应变幅值下的迟滞回线;(d) 0.8%应变幅值下的迟滞回线;(e) 1.0%应变幅值下的迟滞回线;(f)循环软化比随应变幅值的变化

Fig. 7. Hysteresis loops at different strain amplitudes and cyclic softening ratio as a function of strain amplitude. (a) Hysteresis loop at 0.45% strain amplitude; (b) hysteresis loop at 0.6% strain amplitude; (c) hysteresis loop at 0.7% strain amplitude; (d) hysteresis loop at 0.8% strain amplitude; (e) hysteresis loop at 1.0% strain amplitude; (f) cyclic softening ratio as a function of strain amplitude

下载图片查看所有图片

为了明晰固溶时效态激光熔化沉积硼变质TC4钛合金的疲劳失效行为,本文研究了不同应变幅值下应力和塑性应变随循环次数的变化,结果如图8所示。在给定的应变幅值下,应力幅值随着循环次数的增加而减小,塑性应变幅值随着循环次数的增加而增大。这一结果表明固溶时效态硼变质激光熔化沉积TC4试样在经受循环载荷过程中表现出了循环软化行为。从图8(b)可以看出,在较大的应变幅值(Δε/2≥0.8%)下,塑性应变幅值的增加更大(与0.45%~0.7%低应变幅值下相比)。高应变水平下塑性应变幅值的大增量意味着在循环加载过程中更快速的疲劳损坏。

图 8. 最大应力和塑性应变幅值随循环加载次数的变化。(a)最大应力随循环次数的变化;(b)塑性应变幅值随循环次数的变化

Fig. 8. Variations of maximum stress and plastic strain amplitude with cycle numbers. (a) Variation of maximum stress with cycle numbers; (b) variation of plastic strain amplitude with cycle numbers

下载图片查看所有图片

3.3 低周疲劳断口

图9(a)为固溶时效态激光熔化沉积硼变质TC4钛合金的低周疲劳断口形貌,从图中可以清晰地看出断口呈现为三个形貌不同的区域。按照形貌特点,可将断口划分为疲劳源区、疲劳裂纹扩展区及瞬间断裂区。从宏观上看,疲劳裂纹萌生于试样表面,这是因为在工件的加工制造过程中,其表面的显微缺陷往往会造成应力集中,使得这些显微缺陷处更易于形成裂纹扩展源。图9(b)为疲劳裂纹源区的断口形貌,从图中可以看出裂纹源形成于试样表面,并呈放射状河流花样向前扩展,该区域的裂纹扩展速率较低,因而可以经受更多的循环加载过程,断口也因多次摩擦挤压而变得相对光亮平坦。此外,工件中的缺陷对其疲劳性能有直接影响,裂纹萌生位置对缺陷具有敏感的选择性,这些缺陷处由于应力集中增大而对材料产生了较大损伤,从而加快了疲劳破坏的开始和发展。所以,在激光熔化沉积成形零件过程中,采用适当的工艺提高成形质量,减少成形件内部缺陷并提高其表面的加工精度,有利于提高成形件的疲劳性能。

图 9. 固溶时效态硼变质激光熔化沉积TC4钛合金的低周疲劳断口形貌。(a)断口的整体形貌;(b)疲劳裂纹源区形貌

Fig. 9. Low-cycle fatigue fracture morphologies of solid solution-aged boron-modified TC4 titanium alloy obtained via laser melting deposition. (a) Overall morphology of fracture; (b) fatigue crack source area morphology

下载图片查看所有图片

当在表面上形成微裂纹时,裂纹萌生阶段结束。图10显示了固溶时效态激光熔化沉积硼变质TC4钛合金疲劳裂纹扩展区的断口形貌。可以看出,随着裂纹扩展,裂纹间距逐渐变宽,断口上存在较多浅韧窝,表现为韧性断裂特征。如图10(b)所示,经硼变质处理的激光熔化沉积TC4钛合金在裂纹扩展过程中产生了与裂纹扩展方向垂直的二次裂纹。这是因为裂纹尖端的应力集中过大,当主裂纹扩展到材料内部比较脆弱的α/β相界时,为了释放集中在裂纹尖端的应力而产生分枝,从而形成了二次裂纹。二次裂纹的产生起到了吸收断裂能的作用,从而减缓了主裂纹的扩展速度。

图 10. 低周疲劳裂纹扩展区的断口形貌。(a)逐渐变宽的条纹间距;(b)二次裂纹

Fig. 10. Fracture morphologies of low-cycle fatigue crack growth zone. (a) Gradually wide fringe spacing; (b) secondary cracks

下载图片查看所有图片

图11所示为固溶时效态激光熔化沉积硼变质TC4钛合金低周疲劳试样瞬断区的断口形貌。裂纹在扩展阶段逐渐蔓延生长,直到裂纹尺寸达到疲劳断裂的临界尺寸时,试样瞬间发生断裂失效。瞬断区在扫描电镜下的低倍宏观形貌整体上表现为解离断裂特征,相对疲劳源区和扩展区更为粗糙;在高倍下观察可以看到较为明显的解离台阶,如图11(b)所示。

图 11. 低周疲劳试样瞬断区的断口形貌。(a)瞬断区的宏观形貌;(b)扫描电镜下的解离台阶

Fig. 11. Fracture morphologies of low-cycle fatigue specimens in the transient fracture zone. (a) Macromorphology of transient fracture zone; (b) dissociation steps under scanning electron microscope

下载图片查看所有图片

此外,为了能够清晰地识别疲劳裂纹的原始萌生位置,采用扫描电镜对部分异常失效试样(断在标距外的试样,试样编号为4-3和5-3)的断口进行观察,并将其与正常试样(断在标距内)的断口形貌进行了对比。如图12所示,红色椭圆标记处为裂纹的起始位置。显然,如果样品中没有气孔或者制造缺陷,裂纹的扩展源应位于样品表面;如果试样中存在气孔或者加工缺陷,如图12(c)、(d)所示,裂纹通常会始于缺陷处。这是因为缺陷处应力集中的增大会对材料产生一定损伤,而且缺陷本身的微裂纹使得其更容易成为裂纹扩展源,从而极大地降低了疲劳寿命。因此,提高激光熔化沉积样件的成形质量和表面加工质量,降低微观缺陷,可以从源头上遏制裂纹的萌生,达到有效提高低周疲劳性能的目的。

图 12. 正常试样与异常失效试样的疲劳断口。(a)(b)正常试样;(c)(d)异常失效试样

Fig. 12. Fatigue fractures of normal and abnormal failure specimens. (a)(b) Normal specimens; (c)(d) abnormal failure specimens

下载图片查看所有图片

4 结论

本文根据Basquin-Coffin-Manson方程拟合得到了激光熔化沉积硼变质TC4钛合金的应变寿命曲线,拟合公式为Δε/2=0.0193 $(2 N_{f})^{- 0.1225}$ +409.2284 $(2 N_{f})^{- 1.5898}$ 。

经过固溶时效热处理的激光熔化沉积硼变质TC4样件在0.8%~1.0%应变幅值下的低周疲劳性能与退火态锻件相当;当应变幅值大于1.0%时,固溶时效态硼变质激光熔化沉积TC4的低周疲劳性能优于退火态锻件。究其原因,硼变质激光熔化沉积TC4钛合金经固溶时效处理后的微观组织为取向杂乱的细长板条α相构成的网篮组织。与锻件的双态组织相比,网篮组织的抗裂纹扩展能力更好。同时,在循环加载过程中,应力随着循环周次的增加而降低,呈现出循环软化特征。

固溶时效态激光熔化沉积硼变质TC4钛合金在扫描电镜下的断口形貌为典型的疲劳损伤断口,分为疲劳源区、裂纹扩展区和瞬断区。裂纹萌生于试样表面,并在裂纹扩展区产生与主裂纹扩展方向垂直的二次裂纹,使得裂纹尖端集中的应力得以释放;同时,二次裂纹的产生能够吸收部分断裂能,减缓主裂纹的扩展速度。

此外,通过对比正常断裂失效试样和异常失效试样的断口形貌可以得出:减少加工缺陷与成形缺陷可以有效地抑制裂纹源处裂纹的萌生,达到提高低周疲劳性能的目的。

参考文献

[1] 霍浩, 梁朝阳, 张安峰, 等. 激光熔覆沉积含硼TC4钛合金力学性能的各向异性[J]. 中国激光, 2019, 46(12): 1202008.

Huo H, Liang Z Y, Zhang A F, et al. Anisotropy of mechanical properties of laser-cladding-deposited TC4 titanium alloy containning boron[J]. Chinese Journal of Lasers, 2019, 46(12): 1202008.

[2] 陈静, 张强, 刘彦红, 等. 激光成形修复Ti17合金组织与高温性能研究[J]. 中国激光, 2011, 38(6): 0603022.

Chen J, Zhang Q, Liu Y H, et al. Research on microstructure and high-temperature properties of Ti17 titanium alloy fabricated by laser solid forming[J]. Chinese Journal of Lasers, 2011, 38(6): 0603022.

[3] 陈博, 邵冰, 刘栋, 等. 热处理对激光熔化沉积TC17钛合金显微组织及力学性能的影响[J]. 中国激光, 2014, 41(4): 0403001.

Chen B, Shao B, Liu D, et al. Effect of heat treatment on microstructure and mechanical properties of laser melting deposited TC17 titanium alloy[J]. Chinese Journal of Lasers, 2014, 41(4): 0403001.

[4] 何博文, 冉先喆, 田象军, 等. 激光增材制造TC11钛合金的耐蚀性研究[J]. 中国激光, 2016, 43(4): 0403004.

He B W, Ran X Z, Tian X J, et al. Corrosion resistance research of laser additive manufactured TC11 titanium alloy[J]. Chinese Journal of Lasers, 2016, 43(4): 0403004.

[5] 张霜银. 激光立体成形Ti-6Al-4V合金的热处理组织与性能[D]. 西安: 西北工业大学, 2009.

Zhang SY. Research on the heat treated microstructures and properties of laser solid forming Ti-6Al-4V alloy[D]. Xi'an:Northwestern Polytechnical University, 2009.

[6] Ren Y M, Lin X, Guo P F, et al. Low cycle fatigue properties of Ti-6Al-4V alloy fabricated by high-power laser directed energy deposition: experimental and prediction[J]. International Journal of Fatigue, 2019, 127: 58-73.

[7] 薛蕾, 陈静, 林鑫, 等. 激光成形修复TC4合金锻件的低周疲劳性能[J]. 稀有金属材料与工程, 2011, 40(7): 1225-1229.

Xue L, Chen J, Lin X, et al. Low cycle fatigue property of laser forming repaired TC4 forgings[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2011, 40(7): 1225-1229.

[8] 梁朝阳, 张安峰, 李丽君, 等. 感应加热辅助变质剂硼细化激光熔覆沉积TC4晶粒的研究[J]. 中国激光, 2018, 45(7): 0702001.

Liang Z Y, Zhang A F, Li L J, et al. Induction heating assisted modifier boron refining of TC4 grains by laser cladding deposition[J]. Chinese Journal of Lasers, 2018, 45(7): 0702001.

[9] Manson S S. Fatigue: a complex subject: some simple approximations[J]. Experimental Mechanics, 1965, 5(4): 193-226.

[10] Muralidharan U, Manson S S. A modified universal slopes equation for estimation of fatigue characteristics of metals[J]. Journal of Engineering Materials and Technology, 1988, 110(1): 55-58.

[11] Ricotta M. Simple expressions to estimate the Manson-Coffin curves of ductile cast irons[J]. International Journal of Fatigue, 2015, 78: 38-45.

[12] Basquin OH. The exponential law of endurance tests[J]. Proceedings of the American Society of Testing and Materials, 1910, 10(6): 25-30.

[13] Manson SS. Behavior of materials under conditions of thermal stress[R/OL]. [2020-05-07].https://digital.library.unt.edu/ark:/67531/metadc60551/.

[14] SureshS. Fatigue of materials[M]. 2nd ed. [ S.l.]: Cambridge University Press, 1998: 221- 279.

[15] China Aviation Materials Manual Editorial Committee. China aeronautical materials handbook: titanium alloys and copper alloys[M]. Beijing: China Standard Press, 2001: 104- 132.

[16] Hall I W, Hammond C. The relation between crack propagation characteristics and fracture toughness in alpha +beta titanium alloys[J]. Titanium Science and Techonlogy, 1973, 2: 1365-1367.

[17] Lütjering G. Influence of processing on microstructure and mechanical properties of (α+β) titanium alloys[J]. Materials Science and Engineering A, 1998, 243(1/2): 32-45.

[18] 王雷, 王琨, 李艳青, 等. TC4ELI钛合金低周疲劳性能研究[J]. 钛工业进展, 2018, 35(2): 17-21.

Wang L, Wang K, Li Y Q, et al. Low-cycle fatigue properties of TC4ELI titanium alloy[J]. Titanium Industry Progress, 2018, 35(2): 17-21.

[19] Shao C W, Zhang P, Liu R, et al. Low-cycle and extremely-low-cycle fatigue behaviors of high-Mn austenitic TRIP/TWIP alloys: property evaluation, damage mechanisms and life prediction[J]. Acta Materialia, 2016, 103: 781-795.

霍浩, 张安峰, 齐振佳, 吴梦杰, 王豫跃, 王普强. 硼变质激光熔化沉积TC4的低周疲劳性能[J]. 中国激光, 2020, 47(12): 1202003. Huo Hao, Zhang Anfeng, Qi Zhenjia, Wu Mengjie, Wang Yuyue, Wang Puqiang. Low-Cycle Fatigue Performance of Boron-Modified TC4 Deposited by Laser Melting[J]. Chinese Journal of Lasers, 2020, 47(12): 1202003.

硼变质激光熔化沉积TC4的低周疲劳性能下载： 728次

1 引言

2 试验材料与方法

表 1. TC4粉末的主要化学成分

Table 1. Main chemical composition of TC4 powders

表 2. 激光熔化沉积TC4的工艺参数

Table 2. Laser melting deposition parameters of TC4 titanium alloy

图 1. 扫描电镜下粉末的形态。(a) TC4球形粉末;(b)硼粉末;(c)低倍扫描电子显微镜下的TC4/B混合粉末;(d)高倍扫描电子显微镜下的TC4/B混合粉末

Fig. 1. Morphologies of experimental powders under scanning electron microscope. (a) TC4 spherical powders; (b) boron powders; (c) TC4/B mixed powders under low-power scanning electron microscope; (d) TC4/B mixed powder under high-power scanning electron microscope

图 2. 成形试样与低周疲劳标准光滑棒状试样的尺寸。(a)激光熔化沉积成形试样;(b)低周疲劳标准试样

Fig. 2. Dimension of formed specimen and standard smooth bar specimen for low-cycle fatigue test. (a) Laser melting deposited sample; (b) standard specimen for low-cycle fatigue test

3 试验结果及讨论

3.1 低周疲劳模型与分析

表 3. 固溶时效态激光熔化沉积硼变质TC4钛合金室温低周疲劳性能的测试结果

Table 3. Measured room temperature low-cycle fatigue property of solid solution-aged boron-modified TC4 titanium alloy deposited via laser melting

图 3. 固溶时效态硼变质激光熔化沉积TC4钛合金的低周疲劳应变-寿命曲线

Fig. 3. Low-cycle fatigue strain-life curves of solid solution-aged boron-modified TC4 titanium alloy deposited via laser melting

图 4. 固溶时效态硼变质激光熔化沉积TC4和退火态TC4锻件的应变-寿命曲线

Fig. 4. Strain life curves of solid solution-aged boron-modified TC4 titanium alloy deposited via laser melting and annealed TC4 forging

图 5. TC4钛合金的微观组织。(a)退火态锻件; (b)固溶时效态激光熔化沉积硼变质TC4钛合金

Fig. 5. Microstructures of TC4 titanium alloys. (a) Annealed TC4 forging; (b) solid solution-aged boron-modified TC4 titanium alloy deposited via laser melting

图 6. 两种微观组织的裂纹扩展示意图。(a)网篮组织;(b)双态组织

Fig. 6. Schematics of crack propagation of two microstructures. (a) Basket microstructure; (b) two-state microstructure

3.2 循环软化行为

图 8. 最大应力和塑性应变幅值随循环加载次数的变化。(a)最大应力随循环次数的变化;(b)塑性应变幅值随循环次数的变化

Fig. 8. Variations of maximum stress and plastic strain amplitude with cycle numbers. (a) Variation of maximum stress with cycle numbers; (b) variation of plastic strain amplitude with cycle numbers

3.3 低周疲劳断口

图 9. 固溶时效态硼变质激光熔化沉积TC4钛合金的低周疲劳断口形貌。(a)断口的整体形貌;(b)疲劳裂纹源区形貌

Fig. 9. Low-cycle fatigue fracture morphologies of solid solution-aged boron-modified TC4 titanium alloy obtained via laser melting deposition. (a) Overall morphology of fracture; (b) fatigue crack source area morphology

图 10. 低周疲劳裂纹扩展区的断口形貌。(a)逐渐变宽的条纹间距;(b)二次裂纹

Fig. 10. Fracture morphologies of low-cycle fatigue crack growth zone. (a) Gradually wide fringe spacing; (b) secondary cracks

图 11. 低周疲劳试样瞬断区的断口形貌。(a)瞬断区的宏观形貌;(b)扫描电镜下的解离台阶

Fig. 11. Fracture morphologies of low-cycle fatigue specimens in the transient fracture zone. (a) Macromorphology of transient fracture zone; (b) dissociation steps under scanning electron microscope

图 12. 正常试样与异常失效试样的疲劳断口。(a)(b)正常试样;(c)(d)异常失效试样

Fig. 12. Fatigue fractures of normal and abnormal failure specimens. (a)(b) Normal specimens; (c)(d) abnormal failure specimens

4 结论

Article Outline

关于本站 Cookie 的使用提示

全站搜索

硼变质激光熔化沉积TC4的低周疲劳性能 下载： 728次

1 引言

2 试验材料与方法

表 1. TC4粉末的主要化学成分

Table 1. Main chemical composition of TC4 powders

表 2. 激光熔化沉积TC4的工艺参数

Table 2. Laser melting deposition parameters of TC4 titanium alloy

图 1. 扫描电镜下粉末的形态。(a) TC4球形粉末;(b)硼粉末;(c)低倍扫描电子显微镜下的TC4/B混合粉末;(d)高倍扫描电子显微镜下的TC4/B混合粉末

Fig. 1. Morphologies of experimental powders under scanning electron microscope. (a) TC4 spherical powders; (b) boron powders; (c) TC4/B mixed powders under low-power scanning electron microscope; (d) TC4/B mixed powder under high-power scanning electron microscope

图 2. 成形试样与低周疲劳标准光滑棒状试样的尺寸。(a)激光熔化沉积成形试样;(b)低周疲劳标准试样

Fig. 2. Dimension of formed specimen and standard smooth bar specimen for low-cycle fatigue test. (a) Laser melting deposited sample; (b) standard specimen for low-cycle fatigue test

3 试验结果及讨论

3.1 低周疲劳模型与分析

表 3. 固溶时效态激光熔化沉积硼变质TC4钛合金室温低周疲劳性能的测试结果

Table 3. Measured room temperature low-cycle fatigue property of solid solution-aged boron-modified TC4 titanium alloy deposited via laser melting

图 3. 固溶时效态硼变质激光熔化沉积TC4钛合金的低周疲劳应变-寿命曲线

Fig. 3. Low-cycle fatigue strain-life curves of solid solution-aged boron-modified TC4 titanium alloy deposited via laser melting

图 4. 固溶时效态硼变质激光熔化沉积TC4和退火态TC4锻件的应变-寿命曲线

Fig. 4. Strain life curves of solid solution-aged boron-modified TC4 titanium alloy deposited via laser melting and annealed TC4 forging

图 5. TC4钛合金的微观组织。(a)退火态锻件; (b)固溶时效态激光熔化沉积硼变质TC4钛合金

Fig. 5. Microstructures of TC4 titanium alloys. (a) Annealed TC4 forging; (b) solid solution-aged boron-modified TC4 titanium alloy deposited via laser melting

图 6. 两种微观组织的裂纹扩展示意图。(a)网篮组织;(b)双态组织

Fig. 6. Schematics of crack propagation of two microstructures. (a) Basket microstructure; (b) two-state microstructure

3.2 循环软化行为

图 8. 最大应力和塑性应变幅值随循环加载次数的变化。(a)最大应力随循环次数的变化;(b)塑性应变幅值随循环次数的变化

Fig. 8. Variations of maximum stress and plastic strain amplitude with cycle numbers. (a) Variation of maximum stress with cycle numbers; (b) variation of plastic strain amplitude with cycle numbers

3.3 低周疲劳断口

图 9. 固溶时效态硼变质激光熔化沉积TC4钛合金的低周疲劳断口形貌。(a)断口的整体形貌;(b)疲劳裂纹源区形貌

Fig. 9. Low-cycle fatigue fracture morphologies of solid solution-aged boron-modified TC4 titanium alloy obtained via laser melting deposition. (a) Overall morphology of fracture; (b) fatigue crack source area morphology

图 10. 低周疲劳裂纹扩展区的断口形貌。(a)逐渐变宽的条纹间距;(b)二次裂纹

Fig. 10. Fracture morphologies of low-cycle fatigue crack growth zone. (a) Gradually wide fringe spacing; (b) secondary cracks

图 11. 低周疲劳试样瞬断区的断口形貌。(a)瞬断区的宏观形貌;(b)扫描电镜下的解离台阶

Fig. 11. Fracture morphologies of low-cycle fatigue specimens in the transient fracture zone. (a) Macromorphology of transient fracture zone; (b) dissociation steps under scanning electron microscope

图 12. 正常试样与异常失效试样的疲劳断口。(a)(b)正常试样;(c)(d)异常失效试样

Fig. 12. Fatigue fractures of normal and abnormal failure specimens. (a)(b) Normal specimens; (c)(d) abnormal failure specimens

4 结论

Article Outline

相关论文

相关资讯

关于本站 Cookie 的使用提示

全站搜索

硼变质激光熔化沉积TC4的低周疲劳性能下载： 728次