激光熔覆Ti4822合金空心管：实验与计算建模研究

《Advanced Engineering Materials》：Laser Metal Deposited Ti4822 Hollow Pipe: Experimental and Computational Modelling Study

钛铝合金管激光金属沉积制造中热应力与微观结构研究。通过COMSOL建模预测激光沉积管的热分布和锥度变形，实验采用800℃预热和优化参数LMD制备100mm长Ti4822合金管，分析显示30mm处出现锥度变形，热输入过高区域产生裂纹、孔隙和杂质，但纳米压痕显示高韧性，表面粗糙度5.190μm，适用于热交换器

　　钛铝合金（如Ti-48Al-2Cr-2Nb，简称Ti4822）因其轻质、高温性能优异等特性，被认为是航空、能源及高温工业领域极具潜力的材料。然而，这类合金在常规制造过程中存在诸多挑战，例如其较差的室温铸造和加工性能，导致难以直接生产出无缺陷的部件。为了克服这些困难，研究者尝试通过先进的增材制造技术，如选择性激光熔融（SLM）和直接能量沉积（DED）等方法，来制造出高质量的钛铝部件。其中，DED技术因其能够直接将金属粉末熔化并沉积成型，成为研究的重点。本文探讨了通过DED技术制造出的钛铝合金管道的性能表现，并通过理论建模与实验分析相结合，评估其作为热交换器的可行性。

### 1. 研究背景与意义

钛铝合金在高温应用中展现出独特的性能优势，例如优异的高温强度、良好的抗蠕变性能以及较低的密度。这些特性使其在航空发动机叶片、热交换器等高温部件中具有广阔的应用前景。然而，由于其在室温下的加工性能较差，传统的铸造和加工方法难以实现高质量、无裂纹的部件制造。因此，研究者致力于探索新型制造技术，以克服这些挑战。

近年来，直接能量沉积（DED）作为一种快速成型技术，逐渐受到关注。DED技术通过激光加热金属粉末并将其熔化后沉积到基板上，从而形成所需的结构。相比传统的粉末床熔融（PBS）技术，DED具有更高的自由度，能够适应复杂几何形状的制造需求。然而，目前关于DED制造钛铝合金部件的文献资料仍较为有限，尤其是在裂纹控制和微观结构优化方面。

本文通过实验制造了一根100毫米长、15毫米内径、19毫米外径、4毫米壁厚的钛铝合金空心管道，并对其进行了一系列性能测试。包括理论建模分析、表面粗糙度测量、微观结构分析、断裂分析、显微硬度测试以及纳米压痕实验。研究目标是评估该管道是否能够作为热交换器使用，以及其在不同位置的机械性能表现。

### 2. 理论建模分析

为了更好地理解DED过程中热行为与结构变化之间的关系，研究团队使用COMSOL Multiphysics 5.5软件对Ti4822合金进行了三维建模。建模过程中，考虑了基板预热（800°C）的影响，并模拟了激光热源在沉积过程中的分布情况。模型预测了温度场、应力分布以及可能产生的几何缺陷（如锥度）。

在模拟过程中，发现激光能量密度、扫描速度以及粉末流速等因素对温度分布和应力积累具有显著影响。随着沉积时间的延长，温度梯度逐渐加剧，尤其是在管道高度达到40至50毫米的区域，温度迅速上升并伴随快速冷却，这导致了热应力的形成，进而可能引发裂纹或分层现象。此外，模型还预测了在不同位置的应力累积情况，例如在管道的中段区域，由于温度和热应力的叠加效应，材料可能出现局部的变形或开裂。

模型还揭示了DED过程中热源的移动对熔池形态的影响。研究发现，当激光能量密度较高时，熔池的体积和流动性增强，这有助于提高材料的致密性。然而，如果能量密度控制不当，可能会导致熔池过度液化，从而引起壁厚不均、表面撕裂等缺陷。这些模型预测结果为后续的实验分析提供了理论支持。

### 3. 实验过程与材料特性

实验采用了一种商业化的Ti4822粉末作为原材料，其粒径范围在45至90微米之间。为了确保激光与粉末之间的有效相互作用，基板（Ti-6Al-4V）在沉积前进行了预处理，包括喷砂以减少激光反射，并使用丙酮进行清洁。沉积过程中，基板被放置在800°C的加热台上，以确保材料在沉积过程中能够保持较高的温度，从而减少热应力的产生。

在沉积过程中，激光功率为1000瓦，扫描速度为1.5米/分钟，粉末喂入速率为1.2转/分钟。通过这些参数的优化，研究团队成功制造出了一根100毫米长的钛铝合金空心管道。后续的化学成分分析显示，该管道的铝含量较高，导致其呈现γ相结构，而其他元素如钛、铬和铌的含量较低，但仍然满足材料的基本性能要求。

为了评估管道的表面质量，使用了Elcometer 7061 MarSurf PS1表面粗糙度测试仪，测量了其内壁和外壁的粗糙度。结果显示，管道的平均表面粗糙度为5.190微米，这表明其在室温下具备一定的光滑度，能够满足热交换器对流体流动的低阻力要求。此外，管道的两端（顶部和底部）的粗糙度较高，分别为6.031和4.348微米，这可能与沉积过程中的熔池行为有关。

### 4. 微观结构与断裂分析

通过扫描电子显微镜（SEM）和能谱分析（EDS），对管道的微观结构进行了深入研究。结果表明，管道的微观结构呈现出典型的层状结构，即λ相（α?相）与γ相交替排列。然而，随着沉积高度的增加，层状结构逐渐变得粗大，这可能与热输入的增加有关。

在断裂分析方面，研究团队发现管道在不同位置表现出不同的断裂模式。在较低的热输入区域，观察到了内部裂纹、杂质和孔洞等缺陷，这些缺陷可能是由于熔池未能完全融合而导致的。而在较高的热输入区域，管道的微观结构表现出较高的均匀性，层状晶粒在拉伸过程中呈现出伸长的形态，这表明材料在高温下具有一定的延展性。此外，纳米压痕实验显示，管道在高热输入区域表现出较高的韧性，能够承受较大的应力。

在断裂模式上，研究发现管道的断裂具有一定的混合特性，即从脆性断裂向韧性断裂过渡。这一现象可能与材料的微观结构变化有关，例如层状晶粒的排列方式、晶界处的应力集中情况以及杂质的存在。特别是在管道的曲线表面，观察到了典型的“缩孔”（dimple）结构，这表明该区域的断裂属于韧性断裂模式，而直线表面则表现出脆性断裂的特征。这种断裂模式的差异可能与沉积过程中温度梯度和应力分布的不均匀性有关。

### 5. 机械性能评估

为了进一步评估管道的机械性能，研究团队进行了显微硬度测试和纳米压痕实验。显微硬度测试显示，管道的硬度值在不同位置有所差异，其中在高热输入区域，硬度值较高，而在低热输入区域，硬度值较低。这表明，热输入的大小对材料的硬度具有显著影响，尤其是在沉积过程中的不同阶段。

纳米压痕实验则提供了更详细的机械性能数据，包括弹性模量、刚度和硬度。结果显示，管道的曲线表面表现出较高的弹性模量和刚度，而直线表面则相对较低。这说明，曲线表面在高温下具有更强的抗变形能力，可能更适合用于需要承受较高应力的场合。同时，纳米压痕测试还表明，管道在高热输入区域具有较高的韧性，能够承受较大的应力而不发生断裂。

此外，研究还对管道的拉伸性能进行了测试，结果显示，管道在直线部分的屈服强度（YS）和抗拉强度（UTS）较低，而在曲线部分则表现出更高的强度。这一现象可能与微观结构的变化有关，例如在曲线部分，由于热输入的增加，材料形成了更为均匀的层状结构，从而提高了其机械性能。

### 6. 表面粗糙度与热交换性能

表面粗糙度是影响热交换器性能的重要因素之一。管道的内壁粗糙度为5.190微米，这表明其表面较为光滑，能够有效减少流体流动时的阻力，从而提高热交换效率。此外，管道的两端粗糙度较高，这可能对局部流动产生一定影响，但在整体热交换性能中并不构成显著问题。

表面粗糙度的差异还可能与沉积过程中的热输入不均匀性有关。例如，在管道的底部和顶部区域，由于热输入较高，熔池的流动性增强，导致材料的堆积更为紧密，但同时也可能形成不规则的表面结构。这种现象在实验中得到了验证，表明热输入的优化对于减少表面粗糙度至关重要。

### 7. 未来研究方向与应用前景

尽管本文的实验结果显示Ti4822合金管道在某些区域表现出良好的机械性能和热交换能力，但其在其他区域仍存在一定的性能不足。例如，在直线部分，材料表现出较差的韧性，这可能限制其在某些高温、高压环境下的应用。因此，未来的研究可以进一步优化沉积参数，例如调整激光功率、扫描速度和粉末喂入速率，以减少裂纹的产生并提高材料的整体性能。

此外，研究还可以关注材料的微观结构调控，例如通过热处理或调整沉积环境来改善层状结构的均匀性。通过这些方法，有望进一步提升钛铝合金在增材制造中的应用潜力。最终，研究认为该Ti4822合金管道具备作为热交换器的潜力，尤其在需要承受较高热应力和机械应力的工业场景中，其良好的韧性能够确保较长的使用寿命。

### 8. 研究意义与影响

本文的研究不仅为钛铝合金在增材制造领域的应用提供了实验支持，还为后续的工艺优化和材料设计提供了理论依据。通过理论建模与实验分析相结合，研究揭示了DED过程中热输入与微观结构之间的关系，以及表面粗糙度与机械性能之间的关联。这些发现有助于理解钛铝合金在不同制造条件下的行为，并为未来的工业应用提供指导。

此外，研究还强调了增材制造技术在复杂结构和高性能材料制造中的潜力。尽管钛铝合金在传统制造过程中存在诸多挑战，但通过DED等先进制造技术，有望实现其在高温、高应力环境下的应用。因此，本文的研究成果对于推动钛铝合金在航空航天、能源和高温设备制造领域的应用具有重要意义。

综上所述，本文通过系统的理论建模和实验分析，展示了钛铝合金在直接能量沉积技术下的制造可能性，并评估了其在热交换器应用中的可行性。尽管仍存在一些性能不足的区域，但整体而言，该管道表现出良好的机械性能和热交换能力，为未来的研究和工业应用提供了重要参考。