【摘 要】
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钛及钛合金作为一种轻质高强且耐热性好的新型结构材料,在航空航天等工业领域的应用日益广泛,近年来进入了一个极为迅速的发展时期。传统的钛合金制造方法成本昂贵且工艺复杂,而采用电弧增材制造钛合金构件的方法在降低设备成本的同时能获得较高的沉积效率,因此也逐渐成为工业领域的研究热点。钛合金在电弧增材过程中容易出现热积累严重的问题,降低焊接电流是降低增材过程中热积累的一个常用方法。但TIG电弧在较小电流条件下
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钛及钛合金作为一种轻质高强且耐热性好的新型结构材料,在航空航天等工业领域的应用日益广泛,近年来进入了一个极为迅速的发展时期。传统的钛合金制造方法成本昂贵且工艺复杂,而采用电弧增材制造钛合金构件的方法在降低设备成本的同时能获得较高的沉积效率,因此也逐渐成为工业领域的研究热点。钛合金在电弧增材过程中容易出现热积累严重的问题,降低焊接电流是降低增材过程中热积累的一个常用方法。但TIG电弧在较小电流条件下能量密度不够集中,难以保证焊道成形;等离子弧压缩程度强烈,电弧压力过大而不适合薄壁构件的电弧增材制造及修复。因此本文提出一种双层气拘束TIG电弧,该电弧比TIG电弧压缩程度更大,能在较小电流下保持稳定,能量密度有所提升,同时避免电弧压力过大。本文主要对双层气拘束TIG电弧的电弧特性进行了研究,并且将其应用于TA2钛合金和TC17钛合金的电弧增材制造,研究了构件的组织和力学性能。本文对于双层气拘束TIG电弧和TIG电弧的静特性、电弧压力以及电弧电流密度进行了测量,并利用高速摄像机对电弧形态进行拍摄。发现相同焊接电流条件下双层气拘束TIG电弧电压要明显高于TIG电弧电压,电弧压力峰值和电流密度峰值与TIG电弧相比均有所提升。在焊接电流100A时,双层气拘束TIG电弧压力峰值比TIG电弧提升约34%,电流密度峰值提升约14.9%。高速摄像结果显示双层气拘束TIG电弧相较于TIG电弧有明显程度的压缩。而双层气拘束TIG电弧内层气或外层气的气流量大小对电弧特性的影响比较微弱。本文首先在TC4钛合金薄板上进行TA2焊丝的焊缝成形实验,研究两种电弧在焊缝成形上的差异。发现在一定的焊接工艺参数和较小焊接电流条件下,双层气拘束TIG电弧具有更好的焊缝成形。设计了四组工艺实验方案进行TA2钛合金的电弧增材制造,增材体微观组织为边缘不规则的锯齿状α相,增材体顶部的α相尺寸明显大于中部和底部。分析了不同工艺实验组增材构件的微观组织、拉伸性能、断口形貌以及显微硬度方面的差异。进行TC17钛合金的焊缝成形实验,选取两种电弧所成形焊缝尺寸相近的工艺参数进行TC17钛合金电弧增材实验,对两个增材构件的微观组织进行观察,并对其力学性能进行测试。增材体顶部微观组织为亚稳定的过冷β相,中部和底部主要构成组织为细密的网篮组织。双层气拘束TIG电弧的增材构件抗拉强度和延伸率更高,显微硬度值也略高于TIG电弧增材件,两个增材构件的断裂形式均为韧性断裂。
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