采用光纤连续激光开展4 mm等厚5083铝合金-TA15钛合金异种材料对接接头的焊接工艺试验。利用扫描电子显微镜(SEM)、背散射电子探测器和能谱仪(EDS)分析接头的界面微观组织的形貌、成分, 观察到激光偏置向Ti侧的接头界面反应区存在大量且微观形貌不同、分布不均的金属间化合物层。进而从热、力两方面分析不同形貌特征的金属间化合物层的产生原因。然后进行了常温拉伸性能测试, 分析断口形貌, 判断断裂发生在Al/Ti界面的TiAl相, 具有脆性穿晶断裂特征, 最高抗拉强度为150.73 MPa。

采用脉冲激光清洗技术以不同的振镜扫描速度对TA15钛合金表面的氧化层和油污进行去除,分析了激光清洗后TA15钛合金的表面形貌以及清洗表面的成分变化和硬度变化。结果表明:随着振镜扫描速度从7000 mm·s ^-1 增大到10000 mm·s ^-1,清洗表面的钛元素含量呈现先增加再降低的趋势,而氧元素含量则是先降低再升高;当扫描速度为8000 mm·s ^-1时,清洗表面的钛元素含量达到最高值,w(Ti)=79.47%,氧元素含量达到最低值,w(O)=8.62%;清洗表面的硬度随着扫描速度的减小而增大;激光清洗去除TA15氧化层的机制主要为气化机制和相爆炸机制。

采用由点式锻压和激光修复组成的点式锻压激光修复(PF-LR)技术对TA15钛合金锻件进行修复。研究了PF-LR TA15钛合金锻件的组织,测试了具有不同修复体积分数(修复区体积与拉伸试样体积之比)的PF-LR TA15钛合金的拉伸力学性能。结果表明,PF-LR区内的TA15钛合金等轴晶的平均晶粒尺寸约为200 μm,等轴晶内部微观组织为网篮组织+β转变组织。PF-LR TA15钛合金修复区的屈服强度、抗拉强度及塑性比锻造退火态TA15钛合金的航空拉伸力学性能的下限标准分别提高了20.5%、23.3%及93.7%。含10%、30%及50%修复体积分数的PF-LR TA15钛合金锻件的屈服强度、抗拉强度和塑性均超过锻造退火态TA15钛合金的航空拉伸力学性能标准,且PF-LR体积分数越高,PF-LR TA15钛合金锻件的屈服强度、抗拉强度和塑性也相应越高。讨论了含不同修复体积分数的PF-LR TA15钛合金锻件拉伸力学性能提高的原因。根据拉伸断口形貌特点,分析了PF-LR TA15钛合金锻件的拉伸断裂行为。

增材制造技术具有高效低成本制造优势, 易于实现高可靠高复杂构件成形。本文针对新一代高端装备大型复杂精细钛合金构件的制造需求, 开展激光选区熔化(SLM)/熔化沉积(LMD)复合增材制造TA15钛合金成形研究。研究发现, SLM/LMD成形制备TA15钛合金试样形状规则, 表面平整, 试样内部组织致密, 无微观裂纹、未熔合等缺陷, 复合SLM/LMD成形试样从SLM成形到LMD成形连续变化, 呈现良好的冶金结合; SLM区、LMD区以及界面过渡区均为沿沉积方向生长的β柱状晶, 且不同区域晶内α相均呈现为魏氏组织特征; 复合SLM/LMD成形拉伸试样均断裂于LMD区, 具有优异的综合力学性能。该研究为高性能复杂结构件高效低成本复合制造工程化应用奠定了技术基础。

利用OM(光学显微镜)、SEM(扫描电子显微镜)对激光沉积TA15钛合金疲劳裂纹扩展行为进行研究。结果表明: 由于激光沉积自身特性, 沉积试样具有较强的组织敏感性, 疲劳裂纹易起源于气孔且裂纹源区有明显的α/β片层撕裂特征并伴随有与α单个片层或α集束尺寸相当的解理断裂平面。疲劳裂纹扩展稳定期路径曲折, 这与片层组织中α集束位向不同有关。一定区域内疲劳裂纹平行α片层或近似垂直α片层扩展, 裂纹扩展遇到α相时主要切过α片层向前扩展, 并伴有二次裂纹的出现; 裂纹稳定扩展期是以疲劳条带机制为主, 也伴随解理断裂机制。

激光沉积制造过程中, 单道沉积宽度主要受激光熔池宽度的制约, 稳定的熔池是保证成形精度的前提。为了建立工艺参数激光功率、扫描速度以及送粉速率与熔池尺寸之间的经验模型, 采用非匀速段关光控制及卡尔曼滤波技术对采集的熔池测量数据进行去噪处理, 以实现成形过程熔池宽度的精确检测, 为熔池宽度预测精度提供了保证。基于正交试验建立了多元回归模型, 其拟合优度可达94%, 最大误差不超过4.5%。经单一变量试验方法验证, 结果表明熔池宽度与激光功率呈正相关, 与扫描速度呈负相关, 实验结果与回归分析结果具有较好的一致性。

对激光沉积TA15钛合金显微组织进行研究, 并分析了室温下高周疲劳裂纹的萌生和扩展特性。采用光学显微镜(OM)和扫描电子显微镜(SEM)分析了试样疲劳断口以及纵截面显微组织形貌。研究表明, 激光沉积宏观组织呈现定向生长的柱状晶形貌, 晶粒内部为细小的网篮组织, 经过双重退火后, 网篮组织有粗化趋势。疲劳源区存在与α集束尺寸相当的解理断裂平面, 稳定扩展区疲劳裂纹扩展路径曲折, 这与片层组织中α集束位向不同有关, 一定区域内疲劳裂纹平行α片层或近似垂直α片层扩展, 扩展区的二次裂纹有助于扩展能量的消耗, 提高疲劳寿命。

采用激光沉积制造技术制备TA15钛合金裂纹扩展速率(da/dN)以及平面应变断裂韧度(KIC)试样, 采用金相显微镜(OM)以及扫描电子显微镜(SEM)观察微观组织与断口形貌。结果表明: 沿沉积高度方向, 组织呈现典型的β晶粒外延生长, β晶粒内部为α/β片层及集束组成的网篮组织; 三种扩展方向下, YOZ面裂纹扩展速率最快, XOY面裂纹具有较低的扩展速率; 平面应变KIC受裂纹预制扩展方向和β晶粒位向影响, 表现为各向异性。裂纹扩展平面垂直β柱状晶时, KIC最大达86.36 MPa·m1/2, 当β柱状晶位于裂纹扩展平面内, 且平行于裂纹扩展方向时, KIC值为77.19 MPa·m1/2, β柱状晶垂直于裂纹扩展方向时, 其对裂纹阻滞作用弱, KIC最小为56.16 MPa·m1/2。

以TA15球形粉末为原料，利用激光沉积制造方法制备了TA15钛合金厚壁件，研究了单重退火和双重退火对TA15钛合金显微组织和室温拉伸性能及各向异性的影响。结果表明，两种退火方式下α相的组织形貌存在明显差异，室温拉伸性能受到β柱状晶晶界影响，呈现出高强度低塑性的特征，沉积方向上的组织变形较大；双重退火对强度及塑性的各向异性具有改善作用；随退火温度的升高，单重退火下的显微硬度变化不明显，而双重退火下的显微硬度略微增大。

为了研究激光沉积TA15钛合金不同取样方向对冲击性能的影响, 采用激光沉积制造技术制备了TA15钛合金试样, 并对试样的显微组织、显微硬度、冲击性能等进行研究。实验结果表明, 激光沉积试样宏观组织为垂直并贯穿多个沉积层的粗大β柱状晶, β柱状晶内为典型的网篮状近α钛合金组织, 经850 ℃/1.5 h/AC退火后组织为细长针状形貌, α团束明显减少, 长宽比变大, 双重退火后为稳定近棒状网篮组织; 双重退火, 沉积方向试样的冲击韧性明显高于垂直沉积方向(冲击值提高约25％), 激光沉积成形两种取样方向试样的冲击值均低于锻造基材。两种方向上的冲击断裂方式不同, 沿沉积方向上断裂为半韧性半解理断裂, 沿垂直沉积方向上断裂为脆性解理断裂, 基材为韧性断裂。