必一体育:对标锻造金属3D打印钛合金航空航天零件的表面处理及

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　　增材制造在航空航天零部件修复领域具有巨大的应用前景。为了充分发挥增材制造的优势，证明增材制造的部件相对于传统的锻造材料满足航天工业规定的性能标准是至关重要的。

　　新加坡南洋理工大学、新加坡南洋理工大学罗尔斯·罗伊斯合作实验室和罗尔斯·罗伊斯新加坡公司研究团队对该领域进行了研究。评估了激光粉末床熔融( L-PBF )增材制造和锻造Ti-6Al-4V试样的性能，采用航空航天制造方法( MoM )，确保材料同时进行表面和亚表面强化以满足疲劳要求。结果表明，经航空航天制造方法（MoM）处理的激光粉末床熔融增材制造Ti-6Al-4V试样的疲劳寿命优于其锻造试样。此外，据了解，振动抛光工艺保留了喷丸有益的压缩残余应力，同时提高了表面光洁度和疲劳寿命。最后，生命周期成本模型评估表明，L-PBF增材制造试样具有优越的疲劳寿命，特别是在小批量修复中具有成本效益，而在大批量修复中使用锻造材料是经济的，但可能会损害疲劳寿命。

　　航空发动机的部件承受着强烈的热载荷和机械载荷，这对其结构完整性构成了极大威胁。图1所示，提供了一个全面的常见缺陷概述(点蚀，烧蚀，砂眼，涂层脱落，刻痕，开裂，弯曲变形，毛刺和压痕)。研究指出，这些缺陷主要通过三种不同的模式导致旋转部件失效。涡轮叶片和整体叶盘主要是由于疲劳而失效，这是由发动机启动和关闭期间的循环载荷引起的；蠕变是第二种常见的失效模式，当部件长时间暴露在高温和应力源下时，就会出现蠕变；腐蚀是第三种常见的失效模式，当组件暴露于腐蚀性介质(如盐水或高湿度)时出现腐蚀。

　　之前的研究表明，粗糙的表面能阻碍部件的疲劳、蠕变和腐蚀性能。表面处理工艺可以延长部件的使用寿命，并预防这些故障。

　　图1所示：需要修复处理的发动机部件失效(a)低压涡轮叶片腐蚀点蚀缺陷，(b)高压涡轮叶片烧蚀，(c) 砂眼和涂层脱落，(d)叶根微动磨损，(e)叶槽划痕缺陷，(f)由于深划痕造成的划痕缺陷，(g)叶尖开裂，(h)叶片翼型开裂，(i)叶片断裂，(j)外力冲击导致叶片弯曲，(k)由于异物撞击，叶片尖端有严重毛刺;(l)根部深压痕。

　　相关研究明，表面抛光可使机械加工和喷丸处理部件的疲劳寿命提高50%。因此，表面织构和残余压应力对提高构件的疲劳寿命起着重要作用。

　　无论是常规工艺还是非常规工艺，其制造过程中所经历的载荷条件都会对其疲劳寿命产生重大影响。选择一种既能提高材料疲劳寿命又能满足表面光洁度要求的方法是一项相当大的挑战。产生残余应力的制造工艺可能会对材料的表面纹理产生不利影响，而产生光滑纹理的技术可能不会产生必要的压应力。因此，该材料在功能应用中使用之前必须经过多种加工方法。在航空航天工业中，整个制造过程通常被称为制造方法(MoM)。因此，选择具有成本效益的制造和维修方法对于可持续实践至关重要。

　　目前关于Ti-6Al-4V疲劳寿命的研究是分别施加轴向应力、扭转应力、复合材料(锻造+AM)、表面处理和引入表面残余应力之后，对锻造和增材制造的试样进行研究。因此，本论文所涉及的研究旨在探讨航空航天制造方法(铣削、喷丸和振动抛光)对Ti-6Al-4V的影响及其对材料和机械性能的影响。此外，研究团队还探索了在确保不影响疲劳寿命的情况下，采用航空航天制造方法(MoM)，通过锻造或L-PBF增材制造对旋转航空部件损坏的翼型进行经济修复的替代方案。

　　论文采用航空航天工业中常用的制造方法，对一种钛基高温合金的疲劳寿命进行了研究。试样经历了几种制造工艺，包括热处理、精铣、喷丸强化和振动抛光，如图2所示。这种制造方法有助于提高表面和亚表面性能，如粗糙度和压缩残余应力(CRS)。

　　图3所示：在航空航天MoM期间发生的材料和微观结构变化说明。图3(a)描述了一种经过铸造或锻造的原材料，它具有均匀的晶粒尺寸和符合的表面粗糙度，由于在操作过程中经历的极端应力变化，通常会导致较差的疲劳寿命。航空MoM加工可以通过改变晶粒结构、应力和表面粗糙度来缓解这些问题。然而，铣削过程只能产生低粗糙度的表面，留下有害的拉伸应力、表面缺陷和亚表面裂纹。这些缺陷在功能运行过程中可能成为裂纹的起始和扩展点，最终导致材料失效。

　　喷丸强化是一种使材料塑性变形并细化表面和次表面晶粒结构，从而产生影响深度(DOI)的过程。通过表面和次表面的塑性变形引入压应力，通过抵抗裂纹的萌生和扩展来改善疲劳性能。然而，喷丸强化会产生波动和高表面粗糙度，从而显著影响部件的疲劳寿命。对于有气流的旋转航空部件，如涡轮叶片，均匀的表面粗糙度对于气流产生至关重要。因此，喷丸组件经过最后一步的精细抛光，以达到所需的表面粗糙度。振动抛光是一种以可控速率均匀地从表面去除材料并产生光滑纹理的批量抛光工艺。该工艺降低了表面粗糙度，同时保留了表面和次表面的压应力和晶粒细化。因此，低表面粗糙度和压应力，再加上精细的晶粒结构，提供了对作用在部件上的应力的优异抵抗，从而延长了使用寿命。

　　利用增材制造技术修复和更换叶盘翼型已被广泛采用。通过直接能量沉积或激光粉末床熔融增材制造的翼型可用于替换出现损坏的翼型。图4给出了燃气涡轮发动机的旋转部件(低压低压，中压低压)和叶片的示意图。

　　喷丸强化后，试样采用振动抛光进行表面抛光，这是一种大规模抛光工艺。为了实现这一点，研究团队使用了ERBA EVT135，将试件放置在介质流动方向，以最大限度地提高激振力，如图5所示。抛光过程完成后，将样品从机器中取出并用清洗以去除任何残留颗粒。

　　测量试样的正面和侧面纹理，如图6(区域)所示。此外，形貌分析用于识别制造缺陷、深度喷丸凹痕、划痕和抛光磨损痕迹等特征。

　　为了评估极限抗拉强度(UTS)，未经处理和表面处理的试样均使用100kN岛津AG-X万能试验机进行轴向拉伸试验，位移控制速率为0.2mm/min。根据ASTM E8标准确定UTS，并用于建立疲劳加载条件。为了评估试样的疲劳寿命，利用MTS Elastomer 810试验机，选择轴向加载条件模拟飞机发动机巡航时叶片盘式翼型的加载条件。试验过程采用闭环伺服液压控制，试验频率为10Hz，加载周期为正弦，试验频率为10Hz，应力比为0.1。疲劳测试应力水平设定在45-90%的UTS之间。然后在扫描电子显微镜(SEM)下分析断口表面，以了解裂纹的萌生和扩展。

　　金相分析显示锻造态和激光粉末床熔融增材制造Ti-6Al-4V合金的显微组织。沿X、Y、Z轴的微观结构如图7所示。

　　图7所示：(a)经过铣削的锻造试样，(b)激光粉床熔融增材制造（未经后处理）试样的三维显微结构图，(c)锻造试样，(d)激光粉末床熔融Ti-6Al-4V材料的相图。

　　在这项研究中，保持Ra≤0.25µm作为航空航天工业要求的目标粗糙度。细铣削切削条件下，Ra最佳值为0.1±0.05µm。对加工后的试样进行喷丸强化处理。钢丸的高速冲击有助于引入压缩残余应力，减少裂纹和缺陷，并改善显微组织。然而，缺点是增加了表面粗糙度。图8 t=0 min喷丸粗糙度SP(L)=0.2~0.55µm;SP(M)=0.55-0.95µM;锻造和L-PBF试样的SP(H)=0.95-1.50µm。粗糙度的增加可以从图8(b)中提供的铣削和喷丸表面图像中理解。喷丸表面有明显的起伏和凹陷。然而，经过165分钟的振动抛光后，所有喷丸试样表面的Ra为0.25±0.05µm，表面光滑。

　　图8所示：(a)抛丸试样振动抛光过程中评估轮廓(Ra)演化的算术平均偏。