近日，南昌航空大學黃春平教授團隊針對激光立體成形 Ti40阻燃鈦合金的力學性能和阻燃性能開展了一系列研究。研究團隊以典型Ti40阻燃鈦合金為研究對象，通過LSF技術制備了Ti40阻燃鈦合金。研究了激光立體成形試樣和傳統鍛造態試樣的顯微組織、力學性能和阻燃性能，同時，針對激光立體成形試樣相對于傳統鍛造態試樣更加優異的阻燃性能和力學性能進行了了研究和討論。相關研究成果以“Achieving superior burn resistant and mechanical properties of Ti40 alloy by laser solid forming”為題發表在《Journal of Manufacturing Processes》上。論文作者為黃麒敏碩士研究生，通訊作者為劉豐剛博士和黃春平教授。
Ti40（Ti-15V-25Cr）阻燃鈦合金是一種新型高穩定的β鈦合金，具有優異的綜合力學性能和阻燃性能，被廣泛應用于高涵道比的大型發動機風扇壓氣機部件以及其他結構上。然而其高溫塑性和流動性較差，導致傳統機械加工成本高、周期長、材料利用率低。因此，迫切需要尋找一種新的制造技術來改善這些問題。隨著增材制造技術的發展，基于激光熔覆和快速成型技術的激光實體成形技術(LSF)也得到了大規模的應用。它可以直接從CAD模型制造零件，而且可以修復損壞的零件，為阻燃鈦合金的加工和制造帶來了新的思路和方法。
圖1 激光立體成形示意圖和LSF塊體形貌圖：
(a)激光立體成形；(b)(c) LSF塊體
圖2 LSF塊體取樣和燒蝕實驗過程示意圖：
(a)塊體取樣(b)燒蝕實驗處理(c)燒蝕試樣取樣
圖3 Ti40合金阻燃機理示意圖
圖4 Ti40合金的橫截面圖像：
(A)LSFed樣品的頂部區域；(B)LSFed樣品的中間區域；(C)LSFed樣品的底部區域；(D)鍛造樣品；
1=OM；2=SEM。
圖5 LSFed樣品的析出相的TEM圖像：(A)Ti5Si3的明場；(B)Ti5Si3的電子衍射圖。
圖6 燒蝕后Ti40合金的樣品表面形貌：
(a)LSFed；(b)鍛造態；(1)燒蝕3 S；(2)燒蝕4 S；(3)燒蝕5 S。
圖7 激光燒蝕凹坑模型圖像：(a)燒蝕凹坑模型；(b)測量點
圖8 燒蝕坑SEM圖像：(a)LSFed燒蝕坑表面形貌；(b)鍛造試樣燒蝕坑表面形貌；(c) LSFed燒蝕坑底部形貌；(d) 鍛造試樣燒蝕坑底部形貌；(e) LSFed燒蝕坑側壁形貌；(f) 鍛造試樣燒蝕坑側壁形貌
圖9 燒蝕坑橫截面SEM圖像：(a)LSFed試樣燒蝕坑；(b)LSFed試樣燒蝕坑底部；(c)鍛造試樣燒蝕坑；(d)鍛造試樣燒蝕坑底部
圖10 LSFed Ti40合金斷口的SEM圖像：(a)試件斷口的宏觀形態；(b)A區的放大形貌；(c)B區的放大形貌
基于以上研究，LSF工藝改善了Ti40傳統機械加工帶來的加工成本高、周期長、材料利用率低等問題，通過激光立體成形技術制備的Ti40合金相對于鍛造件來說具有更加優異的力學性能，同時由于激光立體成形過程中特殊的回火作用使得Ti40合金中的β相析出高熔點的Ti5Si3，不僅可以通過保留氣孔來提高V、Cr元素的氧化效率，而且可以通過加強基體與氧化層的結合來減緩氧化層的剝落，提高Ti40的阻燃性能。通過對LSF技術制備的Ti40合金力學性能和阻燃性能的研究為實現阻燃鈦合金復雜結構件的高性能、快速、低成本制備提供了一種新的技術手段。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2023.07.056
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