题目：激光熔化沉积钛合金梯度结构材料组织和性能研究

随着航空航天技术的发展，先进飞行器不仅对钛合金等大型轻质结构件的用量越来越多，而且对结构件的性能要求也越来越高。同一结构件由于其不同部位的服役环境有差异，对不同部位的性能要求也不同。例如飞机框梁等承力结构件，上部主要承受高的压应力，要求材料具有高的强度和刚度；而其下部主要承受高的拉应力，要求材料具有优异的韧性、抗疲劳裂纹扩展性能和优异的损伤容限性能。因此，仅采用单一材料制造复杂服役环境下的结构件，难以使其获得最佳的使用性能。梯度结构材料（GSM）是指，根据零件不同部位在复杂服役条件下的不同性能要求，将两种以上不同化学成分和组织性能的材料，通过合理的梯度过渡相结合的一种特殊材料。梯度结构材料由于采用了多种材料相搭配，还能达到降低制造成本，减轻结构件自身重量的目的。激光熔化沉积（LMD）制造技术，以金属粉末为原料，通过激光扫描逐层熔化逐层沉积，直接由零件CAD模型一步成形出组织致密、形状复杂、具有快速凝固组织特征和优异力学性能的近净成形零件。由于激光熔化沉积技术能够通过控制粉末输送从而精确的控制在材料的不同部位沉积出不同的成分和组织，使得其在梯度材料成型工艺上相对于传统的铸造成形、塑性成形和粉末冶金等方法有着巨大的优势。据此，本文利用激光熔化沉积技术制备了TC2/TC18钛合金梯度结构材料和TA15/TC18钛合金梯度结构材料，用OM、SEM、EDS、EPMA等方法分析了成形材料的组织和成分变化情况，测试了材料的显微硬度、室温拉伸力学性能等，并考察了热处理工艺对激光熔化沉积TC2/TC18钛合金显微组织的影响，结果表明：1. 利用激光熔化沉积技术成功制备出尺寸为300mm×30mm×25mm的TC2/TC18钛合金梯度结构材料工字梁和尺寸为210mm×20mm×18mm的TA15/TC18钛合金梯度结构材料工字梁。2. 激光成形态钛合金梯度工字梁显微组织形貌由腹板TC2钛合金（或TA15钛合金）的典型网篮组织向盖板TC18钛合金的典型魏氏组织逐渐过渡。其中梯度过渡区域α片层由腹板向盖板逐渐变宽，并开始出现不完整的β晶界向盖板TC18钛合金延伸。3. 激光成形态钛合金梯度工字梁盖板TC18钛合金沿激光沉积增高方向等轴晶晶粒大小逐渐减小，这是由于越靠近沉积顶部的位置，热量除向基体传导外，通过表层气氛辐射散热也占到较大比例，导致温度梯度及其沿高度方向的分量都减小,晶粒逐渐等轴化。而且激光反复扫描的影响减小，冷却速度增大，从而形核速度增大，使晶粒尺寸减小，晶粒细化。4. 激光熔化沉积钛合金梯度结构材料过渡区域的显微硬度分布受α片层厚度及β晶界的影响：α片层越厚，显微硬度越高；β晶界越多，显微硬度越低。另外，有Si强化的TC18钛合金的硬度大于TC2及TA15钛合金。5. 激光熔化沉积TC2/TC18钛合金梯度工字梁的腹板TC2钛合金的塑性较好，强度较低，室温拉伸断裂形式为明显的韧性断裂；而盖板TC18钛合金和梯度过渡区域强度较高，塑性较差，室温拉伸断裂形式为穿晶或者沿晶断裂与少量韧窝同时存在的混合断裂形式。6. 激光熔化沉积TC18钛合金的热处理显微组织，按照去应力退火—等温退火—双重退火的顺序，无论是晶界α还是晶内α片层，都逐渐粗化，大柱状晶逐渐分裂，小晶粒逐渐趋于等轴化。