TC4 鈦合金輕量化高溫承力結(jié)構(gòu)的性能

李慶棠 陳秀思 王方彬(北京航天新風(fēng)機(jī)械設(shè)備有限責(zé)任公司，北京 100854)

0 引言

TC4 鈦合金具有良好的綜合力學(xué)性能。尤其在高溫條件下能夠保持較好的強(qiáng)度和較低的熱導(dǎo)率以及耐腐蝕性能。TC4 鈦合金被廣泛應(yīng)用于航空航天、化工、船舶等領(lǐng)域[1]，用于制造耐高溫結(jié)構(gòu)件，如耐高溫承力結(jié)構(gòu)、高溫反應(yīng)器殼體、燃料儲存容器、高溫流體管路以及各類腐蝕性反應(yīng)容器和管路等。

近年來，隨著工程設(shè)計(jì)的不斷完善，具有輕量化特點(diǎn)的各類TC4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法被逐步采用，TC4 材料的高強(qiáng)輕質(zhì)特點(diǎn)和輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合，能夠大幅提升工程結(jié)構(gòu)力學(xué)指標(biāo)，進(jìn)而降低成本，提升工程質(zhì)量，而激光選區(qū)熔化技術(shù)(Selective Laser Melting，SLM)作為增材制造技術(shù)中重要的一類制造方法，是實(shí)現(xiàn)這類復(fù)雜結(jié)構(gòu)的快速制造的主要途徑。

金屬三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)是一種新型輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)出高比強(qiáng)度、高比剛度的特點(diǎn)，具有良好的力學(xué)性能[2]，多用于化工、航空航天等領(lǐng)域的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本文對典型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與力學(xué)分析，并用激光選區(qū)熔化方法成型實(shí)驗(yàn)件，研究驗(yàn)證了TC4 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，指導(dǎo)該類結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 模擬

在creo 中構(gòu)建金剛石和面心加斜筋點(diǎn)陣的單胞模型。其中，各單胞的構(gòu)型尺寸均為L1=L2=L3=10mm，根據(jù)單一變量原則，各胞元的相對密度設(shè)計(jì)為相同(單胞體積均約為146mm3)。本研究中使用的點(diǎn)陣壓縮試塊和點(diǎn)陣?yán)煸嚻Ｐ腿鐖D1、2 所示。在點(diǎn)陣壓縮試塊/點(diǎn)陣?yán)煸嚻囊欢硕x一個(gè)參考點(diǎn)，并對參考點(diǎn)應(yīng)用位移邊界條件。該參考點(diǎn)提取了蒙皮上的位移和結(jié)構(gòu)上的反作用力；另一端施加邊界條件，使該點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)完全固定。采用十節(jié)點(diǎn)二次四面體(C3D10)單元劃分點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。在加載過程中的加載速率與實(shí)驗(yàn)相同，設(shè)置為0.05mm/s，設(shè)置分析步400 步。

圖1 金剛石結(jié)構(gòu)(左)和面心加斜筋結(jié)構(gòu)(右)壓縮試塊

圖2 金剛石結(jié)構(gòu)(左)和面心加斜筋結(jié)構(gòu)(右)拉伸試片

1.2 實(shí)驗(yàn)

采用華曙高科FS271M 激光3D 打印機(jī)設(shè)備打印上述兩種點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，所選用的材料為粒度范圍在15～53μm 的TC4 鈦合金，其化學(xué)成分見表1。成形過程中采用的打印工藝參數(shù)為：激光功率225W，掃描速度1000mm/s，層厚30μm，打印工作在氧氣含量低于0.1%(體積分?jǐn)?shù))的氬氣氣氛中進(jìn)行。用激光選區(qū)熔化技術(shù)在相同打印工藝參數(shù)下制備點(diǎn)陣試樣，每種點(diǎn)陣試樣制備三個(gè)。

表1 TC4的化學(xué)成分表

點(diǎn)陣?yán)煸嚻睦鞂?shí)驗(yàn)參考國標(biāo)：GB/T228.1—2010《金屬材料拉伸實(shí)驗(yàn)方法》，實(shí)驗(yàn)步驟為：將電子引伸計(jì)定位在拉伸標(biāo)準(zhǔn)試件上，并將標(biāo)準(zhǔn)試件夾持在萬能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)上。在實(shí)驗(yàn)機(jī)的控制界面中設(shè)定初始實(shí)驗(yàn)力為 50N，橫梁速度為3mm/min，結(jié)束條件為試件斷裂。

點(diǎn)陣壓縮試塊的壓縮實(shí)驗(yàn)參考參考國標(biāo)：GB/T 7341—2005《金屬材料室溫下壓縮實(shí)驗(yàn)》，實(shí)驗(yàn)步驟為：室溫條件下，將點(diǎn)陣壓縮試塊放在CMT5105 微機(jī)控制電子萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)壓臺上，用引伸計(jì)測量應(yīng)變，加載的控制方式使用位移控制，速度為3mm/min。觀察實(shí)驗(yàn)機(jī)得到的載荷-位移曲線，當(dāng)壓頭持續(xù)加壓直至載荷降低50%時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

2 結(jié)果和討論

2.1 仿真結(jié)果

經(jīng)過模擬和實(shí)驗(yàn)得到的拉伸力-位移曲線如圖3、圖4 所示。在拉伸過程中試件經(jīng)歷了2 個(gè)階段：第一階段為彈性階段，力-位移曲線呈線性關(guān)系；第二階段為塑性屈服階段，在此階段試件產(chǎn)生不可回復(fù)的變形并最終導(dǎo)致試件斷裂。試件在整個(gè)斷裂過程中主要以彈性變形為主，呈現(xiàn)脆斷的特性。

圖3 金剛石結(jié)構(gòu)拉伸力-位移曲線

圖4 面心結(jié)構(gòu)拉伸力-位移曲線

經(jīng)過模擬和實(shí)驗(yàn)得到的壓縮力-位移曲線如圖5、圖6 所示。在壓縮過程中試件經(jīng)歷了3 個(gè)階段：第一階段為彈性變形階段，這主要是由試件材料的彈性變形所產(chǎn)生的；第二階段為強(qiáng)化階段，桿件產(chǎn)生彈性變形與塑性變形；第三階段是軟化階段，隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力逐漸減小，最終發(fā)生破壞。

圖5 金剛石結(jié)構(gòu)壓縮力-位移曲線

由圖5、6 可知，點(diǎn)陣?yán)煸嚻淖畲髴?yīng)力出現(xiàn)在點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)與試片蒙皮連接處，且點(diǎn)陣?yán)煸嚻卸蔚膽?yīng)力較大，這是因?yàn)辄c(diǎn)陣結(jié)構(gòu)與拉伸試片蒙皮連接處接觸面積較小，存在應(yīng)力集中；點(diǎn)陣壓縮試塊在45°方向上的應(yīng)力較大，金剛石結(jié)構(gòu)為各向同性結(jié)構(gòu)，且結(jié)構(gòu)中各支桿直徑相等，其變形較為均勻，面心加斜筋結(jié)構(gòu)中由于存在半圓柱形支柱，在加載過程中半圓柱形支柱處應(yīng)力較大，首先發(fā)生破壞。

圖6 面心結(jié)構(gòu)壓縮力-位移曲線

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表3 可知，面心加斜筋結(jié)構(gòu)的最大拉伸力要高于金剛石結(jié)構(gòu)，但是兩者相差不大，力學(xué)性能模擬結(jié)果的誤差在13%以內(nèi)，模擬結(jié)果能夠?qū)?shí)驗(yàn)結(jié)果有效進(jìn)行預(yù)測；兩種結(jié)構(gòu)的斷后伸長率均低于5%，表現(xiàn)出脆性斷裂特征；由表4 可知，面心加斜筋結(jié)構(gòu)的最大壓力為55904N，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于金剛石結(jié)構(gòu)所能承受的23014N。

表3 不同點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)最大拉力與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

表4 不同點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)最大壓力與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

3 結(jié)語

金剛石結(jié)構(gòu)和面心加斜筋結(jié)構(gòu)在拉伸過程中經(jīng)歷彈性階段和塑性屈服階段；在壓縮過程中經(jīng)歷彈性變形階段、強(qiáng)化階段和軟化階段。模擬結(jié)果表明，點(diǎn)陣?yán)煸嚻淖畲髴?yīng)力出現(xiàn)在點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)與試片蒙皮連接處，且點(diǎn)陣?yán)煸嚻卸蔚膽?yīng)力較大；金剛石結(jié)構(gòu)中各支桿直徑相等，其變形較為均勻，面心加斜筋結(jié)構(gòu)中由于存在半圓柱形支柱，在加載過程中半圓柱形支柱處應(yīng)力較大，首先發(fā)生破壞。綜合來看，面心加斜筋結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能要優(yōu)于金剛石結(jié)構(gòu)。