题目：激光快速成型TC18钛合金高周疲劳性能研究

TC18钛合金是20世纪70年代末前苏联开发的一种高合金化的α+β钛合金，名义成分为Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe。该合金具有良好的强度/塑性和强度/韧性匹配，淬透性可达250mm，能在350℃以下长期使用。国内外已经将TC18钛合金广泛应用于飞机加强主承力构件，以及使用温度不超过350℃的发动机叶片等。由于受钛合金自身变形抗力高、黏性大等原因的影响，采用“锻造+机械加工”等传统技术制造复杂钛合金构件制造工序繁多、成本高、生产周期长等，严重制约了钛合金构件在国防及先进工业领域的应用。激光快速成形技术是将快速凝固激光材料制备加工技术与快速原型制造技术相结合的先进高性能金属零件制造技术。在金属零件CAD实体模型离散切片数据计算机数控系统驱动下，通过金属材料的激光熔化-快速凝固逐层沉积，直接制备出组织细小致密、成分均匀、性能优异的高性能金属材料“近净成形”零件。与传统金属零件制造技术相比，具有无需成型模具、制造周期短、材料利用率高等优点。 本文利用激光快速成形技术制备成形TC18钛合金板状试验件，分析研究了激光快速成形TC18钛合金的组织特征。本实验采用双重退火热处理制度：880℃/1h，炉冷至750℃/2h，空冷，580℃/4h，空冷。分析了热处理过程中显微组织的演变，测试了热处理后的基本力学性能。分别进行了光滑和缺口高周疲劳实验，通过对断口及断口亚表面的SEM分析，研究了疲劳裂纹的萌生及扩展特征。结果表明：1、激光快速成形态TC18钛合金的组织，由具有沿沉积方向定向生长特征的短柱晶及等轴晶组成，短柱晶贯穿多个沉积层，短柱晶主轴基本垂直于基材和扫描方向。短柱晶内部显微组织十分细小，由细小的针状α相和β相组成一种超细网篮组织。2、光滑试样疲劳断口有三个典型的分区：I疲劳源区；II疲劳裂纹扩展区；III瞬断区。疲劳源区可以观察到α片层沿滑移面分离解理断裂和β片层撕裂的形貌特征，随着裂纹从源区扩展进入稳定扩展阶段，其扩展断裂形貌也从解理平面过渡到撕裂形貌。3、作为疲劳源的气孔加速了疲劳裂纹的萌生，严重损害了材料的疲劳性能。气孔的尺寸越小，及气孔分布越向内部对疲劳寿命的损伤越小。晶界软化区的存在加速了疲劳裂纹的扩展，而且裂纹倾向于沿片层界面扩展或者沿近似垂直于片层的方向扩展。初生α片层的形貌、数量和分布对疲劳裂纹扩展抗力有显著影响。裂纹疲劳过程中，存在多种形式的变形行为：初生α片层在瞬断区发生变形；与加载方向垂直或近似垂直的部分晶界在正应力作用下发生变形。4、激光快速成形TC18钛合金的疲劳缺口敏感性低于锻造TC18钛合金。缺口疲劳源单一，且起源于试样缺口根部表面。随着试样最大循环应力的升高，主裂纹长度降低，从而疲劳寿命也逐渐降低；裂纹扩展区形成两种类型的二次裂纹：片层界面处的二次裂纹及晶界处的二次裂纹，两种二次裂纹都有助于提高疲劳裂纹扩展抗力。