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近日，南昌航空大學(xué)黃春平教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)激光立體成形 Ti40阻燃鈦合金的力學(xué)性能和阻燃性能開(kāi)展了一系列研究。研究團(tuán)隊(duì)以典型Ti40阻燃鈦合金為研究對(duì)象，通過(guò)LSF技術(shù)制備了Ti40阻燃鈦合金。研究了激光立體成形試樣和傳統(tǒng)鍛造態(tài)試樣的顯微組織、力學(xué)性能和阻燃性能，同時(shí)，針對(duì)激光立體成形試樣相對(duì)于傳統(tǒng)鍛造態(tài)試樣更加優(yōu)異的阻燃性能和力學(xué)性能進(jìn)行了了研究和討論。相關(guān)研究成果以“Achieving superior burn resistant and mechanical properties of Ti40 alloy by laser solid forming”為題發(fā)表在《Journal of Manufacturing Processes》上。論文作者為黃麒敏碩士研究生，通訊作者為劉豐剛博士和黃春平教授。

Ti40（Ti-15V-25Cr）阻燃鈦合金是一種新型高穩(wěn)定的β鈦合金，具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能和阻燃性能，被廣泛應(yīng)用于高涵道比的大型發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇壓氣機(jī)部件以及其他結(jié)構(gòu)上。然而其高溫塑性和流動(dòng)性較差，導(dǎo)致傳統(tǒng)機(jī)械加工成本高、周期長(zhǎng)、材料利用率低。因此，迫切需要尋找一種新的制造技術(shù)來(lái)改善這些問(wèn)題。隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展，基于激光熔覆和快速成型技術(shù)的激光實(shí)體成形技術(shù)(LSF)也得到了大規(guī)模的應(yīng)用。它可以直接從CAD模型制造零件，而且可以修復(fù)損壞的零件，為阻燃鈦合金的加工和制造帶來(lái)了新的思路和方法。

圖1 激光立體成形示意圖和LSF塊體形貌圖：

(a)激光立體成形；(b)(c) LSF塊體

圖2 LSF塊體取樣和燒蝕實(shí)驗(yàn)過(guò)程示意圖：

(a)塊體取樣(b)燒蝕實(shí)驗(yàn)處理(c)燒蝕試樣取樣

圖3 Ti40合金阻燃機(jī)理示意圖

圖4 Ti40合金的橫截面圖像：

(A)LSFed樣品的頂部區(qū)域；(B)LSFed樣品的中間區(qū)域；(C)LSFed樣品的底部區(qū)域；(D)鍛造樣品；

1=OM；2=SEM。

圖5 LSFed樣品的析出相的TEM圖像：(A)Ti5Si3的明場(chǎng)；(B)Ti5Si3的電子衍射圖。

圖6 燒蝕后Ti40合金的樣品表面形貌：

(a)LSFed；(b)鍛造態(tài)；(1)燒蝕3 S；(2)燒蝕4 S；(3)燒蝕5 S。

圖7 激光燒蝕凹坑模型圖像：(a)燒蝕凹坑模型；(b)測(cè)量點(diǎn)

圖8 燒蝕坑SEM圖像：(a)LSFed燒蝕坑表面形貌；(b)鍛造試樣燒蝕坑表面形貌；(c) LSFed燒蝕坑底部形貌；(d) 鍛造試樣燒蝕坑底部形貌；(e) LSFed燒蝕坑側(cè)壁形貌；(f) 鍛造試樣燒蝕坑側(cè)壁形貌

圖9 燒蝕坑橫截面SEM圖像：(a)LSFed試樣燒蝕坑；(b)LSFed試樣燒蝕坑底部；(c)鍛造試樣燒蝕坑；(d)鍛造試樣燒蝕坑底部

圖10 LSFed Ti40合金斷口的SEM圖像：(a)試件斷口的宏觀形態(tài)；(b)A區(qū)的放大形貌；(c)B區(qū)的放大形貌

基于以上研究，LSF工藝改善了Ti40傳統(tǒng)機(jī)械加工帶來(lái)的加工成本高、周期長(zhǎng)、材料利用率低等問(wèn)題，通過(guò)激光立體成形技術(shù)制備的Ti40合金相對(duì)于鍛造件來(lái)說(shuō)具有更加優(yōu)異的力學(xué)性能，同時(shí)由于激光立體成形過(guò)程中特殊的回火作用使得Ti40合金中的β相析出高熔點(diǎn)的Ti5Si3，不僅可以通過(guò)保留氣孔來(lái)提高V、Cr元素的氧化效率，而且可以通過(guò)加強(qiáng)基體與氧化層的結(jié)合來(lái)減緩氧化層的剝落，提高Ti40的阻燃性能。通過(guò)對(duì)LSF技術(shù)制備的Ti40合金力學(xué)性能和阻燃性能的研究為實(shí)現(xiàn)阻燃鈦合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的高性能、快速、低成本制備提供了一種新的技術(shù)手段。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2023.07.056