TC4 鈦合金輕量化高溫承力結構的性能

李慶棠 陳秀思 王方彬(北京航天新風機械設備有限責任公司，北京 100854)

0 引言

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

近年來，隨著工程設計的不斷完善，具有輕量化特點的各類TC4 結構設計方法被逐步采用，TC4 材料的高強輕質特點和輕量化結構設計相結合，能夠大幅提升工程結構力學指標，進而降低成本，提升工程質量，而激光選區熔化技術(Selective Laser Melting，SLM)作為增材制造技術中重要的一類制造方法，是實現這類復雜結構的快速制造的主要途徑。

金屬三維點陣結構是一種新型輕質結構，體現出高比強度、高比剛度的特點，具有良好的力學性能[2]，多用于化工、航空航天等領域的工程結構設計。本文對典型點陣結構進行了設計與力學分析，并用激光選區熔化方法成型實驗件，研究驗證了TC4 點陣結構的力學性能，指導該類結構的工程應用。

1 實驗

1.1 模擬

在creo 中構建金剛石和面心加斜筋點陣的單胞模型。其中，各單胞的構型尺寸均為L1=L2=L3=10mm，根據單一變量原則，各胞元的相對密度設計為相同(單胞體積均約為146mm3)。本研究中使用的點陣壓縮試塊和點陣拉伸試片模型如圖1、2 所示。在點陣壓縮試塊/點陣拉伸試片的一端定義一個參考點，并對參考點應用位移邊界條件。該參考點提取了蒙皮上的位移和結構上的反作用力；另一端施加邊界條件，使該點陣結構完全固定。采用十節點二次四面體(C3D10)單元劃分點陣結構。在加載過程中的加載速率與實驗相同，設置為0.05mm/s，設置分析步400 步。

圖1 金剛石結構(左)和面心加斜筋結構(右)壓縮試塊

圖2 金剛石結構(左)和面心加斜筋結構(右)拉伸試片

1.2 實驗

采用華曙高科FS271M 激光3D 打印機設備打印上述兩種點陣結構，所選用的材料為粒度范圍在15～53μm 的TC4 鈦合金，其化學成分見表1。成形過程中采用的打印工藝參數為：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%(體積分數)的氬氣氣氛中進行。用激光選區熔化技術在相同打印工藝參數下制備點陣試樣，每種點陣試樣制備三個。

表1 TC4的化學成分表

點陣拉伸試片的拉伸實驗參考國標：GB/T228.1—2010《金屬材料拉伸實驗方法》，實驗步驟為：將電子引伸計定位在拉伸標準試件上，并將標準試件夾持在萬能材料實驗機上。在實驗機的控制界面中設定初始實驗力為 50N，橫梁速度為3mm/min，結束條件為試件斷裂。

點陣壓縮試塊的壓縮實驗參考參考國標：GB/T 7341—2005《金屬材料室溫下壓縮實驗》，實驗步驟為：室溫條件下，將點陣壓縮試塊放在CMT5105 微機控制電子萬能實驗機壓臺上，用引伸計測量應變，加載的控制方式使用位移控制，速度為3mm/min。觀察實驗機得到的載荷-位移曲線，當壓頭持續加壓直至載荷降低50%時，實驗結束。

2 結果和討論

2.1 仿真結果

經過模擬和實驗得到的拉伸力-位移曲線如圖3、圖4 所示。在拉伸過程中試件經歷了2 個階段：第一階段為彈性階段，力-位移曲線呈線性關系；第二階段為塑性屈服階段，在此階段試件產生不可回復的變形并最終導致試件斷裂。試件在整個斷裂過程中主要以彈性變形為主，呈現脆斷的特性。

圖3 金剛石結構拉伸力-位移曲線

圖4 面心結構拉伸力-位移曲線

經過模擬和實驗得到的壓縮力-位移曲線如圖5、圖6 所示。在壓縮過程中試件經歷了3 個階段：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生的；第二階段為強化階段，桿件產生彈性變形與塑性變形；第三階段是軟化階段，隨著應變的增加，應力逐漸減小，最終發生破壞。

圖5 金剛石結構壓縮力-位移曲線

由圖5、6 可知，點陣拉伸試片的最大應力出現在點陣結構與試片蒙皮連接處，且點陣拉伸試片中段的應力較大，這是因為點陣結構與拉伸試片蒙皮連接處接觸面積較小，存在應力集中；點陣壓縮試塊在45°方向上的應力較大，金剛石結構為各向同性結構，且結構中各支桿直徑相等，其變形較為均勻，面心加斜筋結構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力較大，首先發生破壞。

圖6 面心結構壓縮力-位移曲線

2.2 實驗結果

由表3 可知，面心加斜筋結構的最大拉伸力要高于金剛石結構，但是兩者相差不大，力學性能模擬結果的誤差在13%以內，模擬結果能夠對實驗結果有效進行預測；兩種結構的斷后伸長率均低于5%，表現出脆性斷裂特征；由表4 可知，面心加斜筋結構的最大壓力為55904N，遠遠大于金剛石結構所能承受的23014N。

表3 不同點陣結構最大拉力與實驗結果對比

表4 不同點陣結構最大壓力與實驗結果對比

3 結語

金剛石結構和面心加斜筋結構在拉伸過程中經歷彈性階段和塑性屈服階段；在壓縮過程中經歷彈性變形階段、強化階段和軟化階段。模擬結果表明，點陣拉伸試片的最大應力出現在點陣結構與試片蒙皮連接處，且點陣拉伸試片中段的應力較大；金剛石結構中各支桿直徑相等，其變形較為均勻，面心加斜筋結構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力較大，首先發生破壞。綜合來看，面心加斜筋結構的力學性能要優于金剛石結構。