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钛合金电弧增材制造工艺及微观组织调控的研究现状

         
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钛合金以其高强度、抗高温蠕变、低密度以及良好的生物相容性等性能特点,在航空航天、生物医学等领域得到广泛应用。当使用传统机械加工和铸造工艺制造钛合金构件时,其存在生产工艺复杂、材料利用率低、难以一次成型复杂结构等问题。增材制造(Additive manufacture,AM)作为一种新兴制造技术,因其特有的逐层堆积的工艺特性,在钛合金材料及其复杂构件生产制造方面具有广阔的应用前景。电弧增材制造(Wire arc additive manufacture,WAAM)具有沉积效率高、原材料利用率高、设备成本低等特点,是增材制造工艺中研究最早且应用最成熟的一种工艺。由于电弧增材制造过程中液态金属凝固速率大,其组织中易出现马氏体、针状α相、魏氏体相,这将极大削弱其力学性能并造成力学性能的各向异性。此外,构件表面粗糙度高、残余应力大、尺寸精度低等缺点也是限制电弧增材制造被广泛应用的重要因素。因此,需要对增材件的微观组织进行调控,并改进电弧增材制造工艺,以提高钛合金构件性能。当前,钛合金增材件微观组织的调控主要有两种工艺路径:后热处理和实时调控。后热处理是对增材构件进行适当的热处理以改善合金组织,提高钛合金性能。实时调控主要通过添加合金元素的方法进行冶金调控,并且可以生成强化相或细化晶粒。此外,将增材制造与其他辅助工艺相结合,如借助层间冷却、喷丸和超声波冲击处理等工艺,不仅可以细化晶粒,还可以有效地释放残余应力。本文首先介绍了钛合金电弧增材制造技术的工艺特点,综述了用于制造钛合金零件的几种基本WAAM工艺,并介绍了不同工艺下钛合金的组织及性能,讨论了用于优化钛合金增材制造件的微观结构、提高其力学性能的工艺方法,最后总结了当前几种WAAM工艺的优劣,以及微观组织调控的方法,并展望了WAAM未来的研究方向。

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