[发明专利]一种提升增材钛合金材料疲劳性能的方法

说明书

一种提升增材钛合金材料疲劳性能的方法，涉及飞机结构件制造技术，将超声波搅拌技术与增材技术结合，获得组织细密均匀的增材钛合金材料，并设计开展疲劳试验，验证显微组织细密度对于疲劳性能的增强作用。通过合理选取超声波功率和作用温度，可以制造出晶粒度与锻造钛合金晶粒度接近的材料，其疲劳性能能够达到锻造钛合金的水平，进而提升增材制造钛合金材料的疲劳性能。本发明提供的提升增材钛合金材料疲劳性能的方法从根本上解决了增材钛合金晶粒粗大疲劳性能差的问题；获得疲劳性能优异的增材钛合金，可以直接应用于工业设计；同样可以推广至其他的增材制造金属材料制件。

技术领域

本发明涉及飞机结构件设计技术领域，具体而言，涉及一种提升增材钛合金材料疲劳性能的方法。

背景技术

增材制造钛合金在航空航天领域具有广泛的应用前景。因为传统钛合金构件的机械加工较困难，尤其形状复杂的钛合金模锻件，往往需要大量的模具和设备，才能完成制造，成本高，耗时长。增材制造技术可以解决复杂形状的问题，实现大尺寸、复杂形状钛合金构件的成型，为新型航空航天钛合金构件的设计提供了基础。

增材制造钛合金材料的静强度较高，能够达到锻造钛合金的水平，但疲劳强度差且分散性大。试验研究表明，增材钛合金易开裂，较高应力水平下疲劳强度低。对于形状复杂的零部件，其拐角、尖端等区域会由于成型过程中的温度不均匀而出现气孔甚至内埋裂纹，严重降低整个结构件的疲劳寿命。

对增材钛合金的显微组织研究表明，由于其微滴凝固成型的工艺过程，增材钛合金的显微组织粗大，柱状晶和支晶多，晶界不规则，在疲劳载荷下易出现裂纹源且不能有效抑制裂纹扩展。相比于锻造钛合金而言，锻造钛合金晶粒细密均匀，晶界很好地阻止了裂纹的扩展，疲劳性能好。如何让增材钛合金的显微组织能够与锻件相近，其疲劳性能得到提升甚至达到锻件水平，这是影响着增材钛合金能够得到广泛使用的关键。

超声波显微搅拌技术，在多种金属材料的铸造和焊接工艺中都有应用。其基本原理为将超声波直接或间接地施加到熔融态金属液体中，而后再固化成型。超声产生的巨大冲击波能够打碎和细化显微组织；机械作用能够加速熔池内液体流动增加组织均匀性；而超声的热作用能够使熔池内熔融金属温度区域均匀。采用超声波搅拌技术制造的材料，显微组织细小均匀致密，气孔少，成材的强度、延伸率、硬度、耐磨性等性能都有较大提高。且该方法与传统的机械搅拌法相比，具有设备简单、成本低廉、操作方便、无污染等特点。

现在亟需解决的技术问题是如何设计一种提升增材钛合金材料疲劳性能的方法，将超声波显微搅拌技术与增材制造钛合金技术结合。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中的不足，提供一种提升增材钛合金材料疲劳性能的方法，该方法将超声波显微搅拌技术与增材制造钛合金技术结合，不仅提升了增材钛合金的疲劳性能，并且所采用的设备简单、成本低廉、操作方便、无污染。

本发明的目的通过如下技术方案实现：一种提升增材钛合金材料疲劳性能的方法，包括如下步骤：

S1，设计疲劳试验；

S2，制备增材钛合金材料；

S3，加工用于疲劳试验的增材钛合金材料试验件；

S4，进行疲劳试验；

S5，确立超声搅拌工艺对疲劳强度的影响的曲线；

S6，在S5中的曲线上确认与锻造件疲劳值强度相同的位置。

上述方案中优选的是，S1中疲劳试验所采用的增材钛合金材料试验件为带孔方板，且设计1组传统锻造钛合金试验件。

上述任一方案中优选的是，S1中沿两个方向对增材钛合金材料试验件进行切割，所述两个方向分别为增材制造材料的沉积方向与垂直于增材制造材料的沉积方向。