TC4 钛合金轻量化高温承力结构的性能

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【汽车轻量化在线】TC4 钛合金轻量化高温承力结构的性能

李庆棠 陈秀思 王方彬(北京航天新风机械设备有限责任公司，北京 100854)

摘要：文章对激光选区熔化技术制备的两种TC4 钛合金轻量化结构件的力学性能做了研究。结果表明，点阵结构在拉伸过程中经历了两个阶段：弹性变形阶段和塑性屈服阶段；在压缩过程中经历了三个阶段：弹性变形阶段、强化阶段和软化阶段。金刚石结构能够承受的最大拉伸强度为312MPa，最大压缩强度为25.4MPa；面心加斜筋结构能够承受的最大拉伸强度为339MPa，最大压缩强度为48MPa。相比之下，相对密度相同的这两种结构，面心加斜筋结构的力学性能更好。

关键词：点阵结构；力学性能；激光选区熔化

0 引言

TC4 钛合金具有良好的综合力学性能。尤其在高温条件下能够保持较好的强度和较低的热导率以及耐腐蚀性能。TC4 钛合金被广泛应用于航空航天、化工、船舶等领域[1]，用于制造耐高温结构件，如耐高温承力结构、高温反应器壳体、燃料储存容器、高温流体管路以及各类腐蚀性反应容器和管路等。

近年来，随着工程设计的不断完善，具有轻量化特点的各类TC4 结构设计方法被逐步采用，TC4 材料的高强轻质特点和轻量化结构设计相结合，能够大幅提升工程结构力学指标，进而降低成本，提升工程质量，而激光选区熔化技术(Selective Laser Melting，SLM)作为增材制造技术中重要的一类制造方法，是实现这类复杂结构的快速制造的主要途径。

金属三维点阵结构是一种新型轻质结构，体现出高比强度、高比刚度的特点，具有良好的力学性能[2]，多用于化工、航空航天等领域的工程结构设计。本文对典型点阵结构进行了设计与力学分析，并用激光选区熔化方法成型实验件，研究验证了TC4 点阵结构的力学性能，指导该类结构的工程应用。

1 实验1.1 模拟

在creo 中构建金刚石和面心加斜筋点阵的单胞模型。其中，各单胞的构型尺寸均为L1=L2=L3=10mm，根据单一变量原则，各胞元的相对密度设计为相同(单胞体积均约为146mm3)。本研究中使用的点阵压缩试块和点阵拉伸试片模型如图1、2 所示。在点阵压缩试块/点阵拉伸试片的一端定义一个参考点，并对参考点应用位移边界条件。该参考点提取了蒙皮上的位移和结构上的反作用力；另一端施加边界条件，使该点阵结构完全固定。采用十节点二次四面体(C3D10)单元划分点阵结构。在加载过程中的加载速率与实验相同，设置为0.05mm/s，设置分析步400 步。

图1 金刚石结构(左)和面心加斜筋结构(右)压缩试块

图2 金刚石结构(左)和面心加斜筋结构(右)拉伸试片

1.2 实验

采用华曙高科FS271M 激光3D 打印机设备打印上述两种点阵结构，所选用的材料为粒度范围在15～53μm 的TC4 钛合金，其化学成分见表1。成形过程中采用的打印工艺参数为：激光功率225W，扫描速度1000mm/s，层厚30μm，打印工作在氧气含量低于0.1%(体积分数)的氩气气氛中进行。用激光选区熔化技术在相同打印工艺参数下制备点阵试样，每种点阵试样制备三个。

表1 TC4的化学成分表

点阵拉伸试片的拉伸实验参考国标：GB/T228.1—2010《金属材料拉伸实验方法》，实验步骤为：将电子引伸计定位在拉伸标准试件上，并将标准试件夹持在万能材料实验机上。在实验机的控制界面中设定初始实验力为 50N，横梁速度为3mm/min，结束条件为试件断裂。

点阵压缩试块的压缩实验参考参考国标：GB/T 7341—2005《金属材料室温下压缩实验》，实验步骤为：室温条件下，将点阵压缩试块放在CMT5105 微机控制电子万能实验机压台上，用引伸计测量应变，加载的控制方式使用位移控制，速度为3mm/min。观察实验机得到的载荷-位移曲线，当压头持续加压直至载荷降低50%时，实验结束。

2 结果和讨论2.1 仿真结果

经过模拟和实验得到的拉伸力-位移曲线如图3、图4 所示。在拉伸过程中试件经历了2 个阶段：第一阶段为弹性阶段，力-位移曲线呈线性关系；第二阶段为塑性屈服阶段，在此阶段试件产生不可回复的变形并最终导致试件断裂。试件在整个断裂过程中主要以弹性变形为主，呈现脆断的特性。

图3 金刚石结构拉伸力-位移曲线

图4 面心结构拉伸力-位移曲线

经过模拟和实验得到的压缩力-位移曲线如图5、图6 所示。在压缩过程中试件经历了3 个阶段：第一阶段为弹性变形阶段，这主要是由试件材料的弹性变形所产生的；第二阶段为强化阶段，杆件产生弹性变形与塑性变形；第三阶段是软化阶段，随着应变的增加，应力逐渐减小，最终发生破坏。

图5 金刚石结构压缩力-位移曲线

由图5、6 可知，点阵拉伸试片的最大应力出现在点阵结构与试片蒙皮连接处，且点阵拉伸试片中段的应力较大，这是因为点阵结构与拉伸试片蒙皮连接处接触面积较小，存在应力集中；点阵压缩试块在45°方向上的应力较大，金刚石结构为各向同性结构，且结构中各支杆直径相等，其变形较为均匀，面心加斜筋结构中由于存在半圆柱形支柱，在加载过程中半圆柱形支柱处应力较大，首先发生破坏。

图6 面心结构压缩力-位移曲线

2.2 实验结果

由表3 可知，面心加斜筋结构的最大拉伸力要高于金刚石结构，但是两者相差不大，力学性能模拟结果的误差在13%以内，模拟结果能够对实验结果有效进行预测；两种结构的断后伸长率均低于5%，表现出脆性断裂特征；由表4 可知，面心加斜筋结构的最大压力为55904N，远远大于金刚石结构所能承受的23014N。

表3 不同点阵结构最大拉力与实验结果对比

表4 不同点阵结构最大压力与实验结果对比

3 结语

金刚石结构和面心加斜筋结构在拉伸过程中经历弹性阶段和塑性屈服阶段；在压缩过程中经历弹性变形阶段、强化阶段和软化阶段。模拟结果表明，点阵拉伸试片的最大应力出现在点阵结构与试片蒙皮连接处，且点阵拉伸试片中段的应力较大；金刚石结构中各支杆直径相等，其变形较为均匀，面心加斜筋结构中由于存在半圆柱形支柱，在加载过程中半圆柱形支柱处应力较大，首先发生破坏。综合来看，面心加斜筋结构的力学性能要优于金刚石结构。

fawmat

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