钛合金专刊2018-2020

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本辑钛合金虚拟专刊集合了2018~2020年初在金属学报发表的17篇文章,内容涉及钛合金及其复合材料的制备方法、组织和性能、凝固、表面功能薄膜、模拟与计算等,基本反映了近年来我国钛合金研究领域的主要成果。欢迎阅读、引用和转发!

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1. 钛合金薄壁构件激光冲击残余应力稳定性研究
何卫锋, 李翔, 聂祥樊, 李应红, 罗思海
金属学报    2018, 54 (3): 411-418.   doi:10.11900/0412.1961.2017.00135
录用日期: 2017-09-14

摘要47)   HTML2)    PDF (2445KB)(509)   

针对航空发动机压气机薄叶片激光冲击后残余压应力的严重松弛问题,对TC11钛合金薄壁试件激光冲击后进行轴向拉-拉疲劳实验和真空保温处理,通过X射线衍射测试获得疲劳载荷和热应力载荷作用下的应力松弛规律,并分析松弛机理。实验结果表明:疲劳载荷 (最大应力σmax=500 MPa,应力比R=0.1)作用下表面残余压应力松弛了53%,前5次循环占了95%,且表面松弛程度和严重松弛深度都随疲劳载荷增大而增大,其松弛机理是局部材料发生塑性变形而引起的应力场重新分布。在200、300和400 ℃下恒定保温120 min后,表面残余压应力分别松弛了3%、29%和48%,而在200 ℃+400 ℃和300 ℃+400 ℃交替保温120 min后分别松弛了18%和58%,松弛均发生在前60 min内,且严重松弛深度随温度呈现相同变化规律,其松弛机理是热应力激活位错、晶界等进行运动和消亡而导致塑性回复。由于松弛机理不同,疲劳载荷与热应力载荷复合作用下应力松弛呈现出叠加效应。

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2. 纳米晶Ta2N涂层在模拟人体环境中的耐蚀性能研究
徐江, 鲍习科, 蒋书运
金属学报    2018, 54 (3): 443-456.   doi:10.11900/0412.1961.2017.00246
录用日期: 2017-12-19

摘要32)   HTML4)    PDF (6418KB)(336)   

为了改善植入钛合金材料在人体环境中耐蚀性能,采用双阴极等离子反应溅射沉积方法,在医用Ti-6Al-4V钛合金表面制备了厚度为40 μm、平均晶粒尺寸为12.8 nm的Ta2N纳米晶涂层。采用纳米压入仪、Vikers压痕仪和划痕仪考察了Ta2N纳米晶涂层的硬度、弹性模量、韧性以及涂层与基体间的结合力。结果表明,Ta2N涂层的硬度和弹性模量分别为(32.1±1.6) GPa和(294.8±4.2) GPa,涂层与基体的结合力为56 N;在压入载荷为0.49~9.8 N下,Vikers压痕表面以及横断面均未观察到微裂纹,反映其具有较高的压痕韧性。采用动电位极化、电化学阻抗谱、恒电位极化和电容测量(Mott-Schottky)等多种电化学表征技术,对Ta2N涂层在Ringer's生理溶液中的电化学腐蚀行为进行了深入研究,并从钝化膜组成、致密性和半导体特性3个方面探讨了涂层的腐蚀防护机理。结果表明,在Ringer's生理溶液中,Ta2N涂层表面形成的钝化膜更加致密,其腐蚀抗力明显优于Ti-6Al-4V合金。XPS分析结果表明,在较低的极化电位下,Ta2N涂层的钝化膜主要由TaOxNy构成,随着外加极化电位的升高,其进一步氧化形成Ta2O5;电容测试结果表明,Ta2N涂层表面所生成的钝化膜具有n型半导体特征,其施主浓度和载流子扩散系数明显低于Ti-6Al-4V 合金表面生成的钝化膜。

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3. 六角结构金属中基面/柱面取向转变的孪晶路径及合金化效应的第一性原理研究
周刚, 叶荔华, 王皞, 徐东生, 孟长功, 杨锐
金属学报    2018, 54 (4): 603-612.   doi:10.11900/0412.1961.2017.00252
录用日期: 2017-08-22

摘要47)   HTML3)    PDF (8534KB)(500)   

采用第一性原理方法系统研究了不同六角结构金属中基面到柱面的取向转变过程及合金化影响。结果表明,在不同六角结构金属中,取向转变需要不同的激发能,其中Mg的激发能最低,而Os最高;取向转变过程由剪切变形和原子重排2部分构成。在Mg中,原子重排贡献了激发能的主要部分,而在Ti中,当剪切变形足够大时,随后的原子重排为能量下降过程。合金元素主要影响镁合金中的纯剪切变形部分,而在钛合金中,主要影响原子重排部分;在具有一定的剪切变形量或原子重排量的条件下,合金元素对后续激发能的影响较复杂。

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4. 自由落体条件下Ti-6Al-4V合金微液滴的快速凝固研究
翟斌, 周凯, 吕鹏, 王海鹏
金属学报    2018, 54 (5): 824-830.   doi:10.11900/0412.1961.2017.00312
录用日期: 2017-11-27

摘要70)   HTML2)    PDF (7656KB)(536)   

在自由落体条件下实现了Ti-6Al-4V合金微液滴的深过冷与快速凝固,研究了合金的相组成、凝固组织和显微硬度。计算出落管中不同直径微液滴的过冷度和冷却速率,揭示了Ti-6Al-4V合金凝固组织随过冷度及冷却速率的变化规律。结果表明,深过冷与快冷速的耦合作用使凝固组织不断细化且形貌发生转变:层片α+β→枝晶α→网篮状α'+β→针状α'→针状α'+不规则β。当液滴直径小于400 μm时,位于原始等轴β晶的晶界及晶内的针状马氏体α'转化为大量连续分布且形状不规则的次生β相,发生α'β固态转变。不同直径范围内的Ti-6Al-4V合金凝固组织的显微硬度与组织形貌有关,“层片组织”、“ 针状α'组织”和“针状α'+不规则β组织”的显微硬度随液滴直径的减小而增大,“网篮组织”的显微硬度随液滴直径的减小而减小。其中,枝晶组织的显微硬度可高达785 kg/mm2,是母合金硬度的2.6倍。

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5. Ti6Al4V表面生物功能纯Mg薄膜制备及性能研究
于晓明, 谭丽丽, 刘宗元, 杨柯, 朱忠林, 李扬德
金属学报    2018, 54 (6): 943-949.   doi:10.11900/0412.1961.2017.00285
录用日期: 2017-11-09

摘要38)   HTML3)    PDF (4451KB)(434)   

利用多弧离子镀技术在Ti6Al4V表面沉积纯Mg薄膜,研究了工作气压对纯Mg薄膜表面质量及性能的影响,研究了纯Mg薄膜的体外降解等性能、抗菌性及生物安全性能。结果表明:多弧离子镀方法可将纯Mg薄膜制备于钛合金表面,薄膜颗粒均匀致密,未见明显缺陷。体外浸泡实验结果表明:由于Ti6Al4V与Mg发生电偶腐蚀而使Mg薄膜迅速降解,1周时间内薄膜基本降解完毕。抗菌实验结果表明:纯Mg薄膜样品对金黄色葡萄球菌具有强烈的杀灭作用,表现出良好的抗细菌感染功能。细胞毒性实验结果表明:纯Mg薄膜可促进骨髓间充质干细胞(rBMSCs)的增殖。

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6. 分层厚度对选区激光熔化成形Ti-5Al-2.5Sn合金组织与性能的影响规律
高飘, 魏恺文, 喻寒琛, 杨晶晶, 王泽敏, 曾晓雁
金属学报    2018, 54 (7): 999-1009.   doi:10.11900/0412.1961.2017.00384
录用日期: 2018-01-02

摘要61)   HTML4)    PDF (6969KB)(572)   

研究了分层厚度对选区激光熔化(SLM)技术成形Ti-5Al-2.5Sn (TA7)钛合金试样致密度、显微组织和力学性能的影响规律。结果表明:在激光功率和扫描间距一定的条件下,当分层厚度≤40 μm时,致密度随激光体能量密度的下降不断提高;当分层厚度>40 μm时,致密度则随激光体能量密度的下降先升高后降低。随分层厚度的增大和扫描速率的降低,SLM成形过程中的冷却速率逐步下降,当冷却速率低于6.8×107 K/s时,显微组织由针状马氏体α′逐渐向岛状αm转变。通过优化工艺参数,在所有分层厚度(20~60 μm)下均能成形致密的TA7试样,其显微硬度、屈服强度和断裂强度超越铸件和锻件;且当分层厚度≤40 μm时,韧塑性超越铸件,达到锻件水平。成功探索出能够兼顾TA7样品成形效率、冶金质量及力学性能的优选分层厚度及SLM工艺参数组合。

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7. Ti-V-Mo复合微合金钢中(Ti, V, Mo)C在γ /α中沉淀析出的动力学
张可, 孙新军, 张明亚, 李昭东, 叶晓瑜, 朱正海, 黄贞益, 雍岐龙
金属学报    2018, 54 (8): 1122-1130.   doi:10.11900/0412.1961.2018.00011
录用日期: 2018-06-04

摘要55)   HTML0)    PDF (852KB)(549)   

根据多元复合析出相的固溶析出理论和经典形核长大动力学理论,计算了Ti-V-Mo复合微合金钢中(Ti, V, Mo)C在奥氏体(γ)和铁素体(α)中沉淀析出的形核参量、析出-时间-温度(PTT)曲线、形核率-温度(NrT)曲线,并探讨了奥氏体中形变储能和形变诱导析出量对(Ti, V, Mo)C在γ /α中沉淀析出动力学的影响。结果表明,复合析出相(Ti, V, Mo)C在γ /α中沉淀析出的PTT曲线呈典型的“C”曲线形状,而NrT曲线表现为典型的反“C”曲线形状,(Ti, V, Mo)C在γ中的最快析出温度为1020~1050 ℃。增加γ的形变储能,使(Ti, V, Mo)C在γ中沉淀析出的PTT曲线向左上方移动。增加γ中(Ti, V, Mo)C沉淀析出的形变诱导析出量,使(Ti, V, Mo)C在α中沉淀析出的NrT曲线向右下方移动,经计算可知,(Ti, V, Mo)C在α中的最大形核率温度在630~650 ℃,理论计算结果和实验结果吻合较好。

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8. {332}<113>孪晶与等温ω相的组合对不同O含量Ti-15Mo合金力学性能的影响
闵小华, 向力, 李明佳, 姚凯, 江村聪, 程从前, 土谷浩一
金属学报    2018, 54 (9): 1262-1272.   doi:10.11900/0412.1961.2018.00022
录用日期: 2018-04-13

摘要47)   HTML8)    PDF (5221KB)(439)   

利用OM、XRD、TEM、DSC、Vickers硬度计和拉伸试验机等研究了拉伸预变形诱发{332}<113>孪晶与随后时效析出等温ω相对不同O含量(0.1%~0.5%,质量分数) β型Ti-15Mo合金力学性能的影响。结果表明,随着合金中O含量的增加,机械孪晶的形成以及等温ω相的析出受到了抑制,且拉伸预变形诱发孪晶对等温ω相析出的影响较小。经拉伸预变形和随后时效处理,低O含量合金呈现出较高的屈服强度和较好的均匀伸长率,而高O含量合金发生脆性断裂。孪生与位错滑移的耦合塑性变形使得低O含量合金呈现出良好的强度和塑性匹配,其高的屈服强度主要受位错滑移主导,良好的均匀伸长率主要归因于预变形诱发孪晶的静态晶粒细化以及后续孪生变形导致的动态晶粒细化效应。这些结果表明,通过对合金元素O的有效利用,以及合理的预变形与热处理制度,能够改变塑性变形方式和相析出行为,从而在较大范围内调控β型钛合金的强度和塑性匹配。

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9. 原位(TiB2-TiB)/Cu复合材料组织与性能研究
任建强, 梁淑华, 姜伊辉, 杜翔
金属学报    2019, 55 (1): 126-132.   doi:10.11900/0412.1961.2017.00532
录用日期: 2018-05-08

摘要48)   HTML0)    PDF (5229KB)(452)   

采用机械合金化和热压烧结相结合的方法制备出原位TiB2颗粒和TiB晶须混杂增强的铜基复合材料,利用XRD、OM、SEM、TEM研究了复合材料的微观组织,分析了热压烧结过程中的原位反应机理及微观组织对复合材料硬度、导电率及致密度的影响规律。结果表明:原位反应过程为Cu和Ti原始粉末在800 ℃开始反应生成Cu3Ti中间相,在850 ℃时达到Cu3Ti中间相的熔点并在基体中形成液相微区,然后B原子扩散至该液相微区,在继续加热过程中原位析出硼化钛增强相。TiB晶须含量相对较多的复合材料具有较高的硬度,TiB2颗粒含量相对较多的复合材料具有较高的导电率,TiB晶须和TiB2颗粒混杂增强的铜基复合材料则同时兼备了以上2种复合材料的性能优势,其综合性能得到优化。所得烧结态3%(TiB2-TiB)/Cu混杂增强复合材料的硬度和导电率分别达到86.6 HB和70.4% IACS。

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10. 冷旋锻变形对TB9钛合金显微组织和拉伸性能的影响
任德春, 苏虎虎, 张慧博, 王健, 金伟, 杨锐
金属学报    2019, 55 (4): 480-488.   doi:10.11900/0412.1961.2018.00241
录用日期: 2018-07-04

摘要74)   HTML1)    PDF (19419KB)(406)   

采用冷旋锻对TB9钛合金棒材进行多道次冷变形,利用OM、EBSD、XRD、TEM以及拉伸等实验研究了不同冷变形量TB9钛合金棒材的显微组织、织构和拉伸性能及其规律。结果表明,TB9钛合金棒材的晶粒尺寸随冷旋锻变形量的增大而减小,部分晶粒尺寸达到纳米级。同时,晶粒随变形量的增加沿旋锻轴向转动,形成择优取向,由初始{001}<110>和{001}<100>织构转变为<110>取向的α-fiber和γ-fiber {001}<110>、{112}<110>和{111}<110>织构。在亚结构、小尺寸晶粒以及织构的共同作用下,TB9钛合金的强度随变形量的增大而增加,延伸率和面缩率在70%冷变形后仍保持在一个较高的水平,具有优异的冷变形能力。

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11. 脉冲磁场对TC4钛合金微观结构的影响及其机理探究
许擎栋, 李克俭, 蔡志鹏, 吴瑶
金属学报    2019, 55 (4): 489-495.   doi:10.11900/0412.1961.2018.00257
录用日期: 2019-01-16

摘要51)   HTML1)    PDF (5361KB)(400)   

研究了脉冲磁场对TC4钛合金微观结构的影响规律,发现经磁感应强度为2 T、脉冲频率为5 Hz、脉冲次数为 100次的脉冲磁场处理后,TC4钛合金的位错密度及晶界角度会发生显著变化。XRD测试结果显示,经脉冲磁场处理后TC4钛合金的位错密度提高约10.9%。采用EBSD测试得到TC4钛合金微区的KAM分布,发现经脉冲磁场作用后,TC4钛合金的位错密度发生显著变化,具体表现为:晶内位错分布更加均匀,局部高位错密度区消失;晶界附近的位错分布发生变化,同时晶界角度发生改变,小角度晶界减少而重位点阵(CSL)晶界(Σ11)增多。讨论了脉冲磁场对TC4钛合金微观组织影响的可能原因:脉冲磁场引起位错钉扎处的电子能态发生转变,使钉扎处空位或杂质原子易于移动。位错在材料内应力场提供的弹性能作用下更易脱钉扎,从而使得位错分布发生变化,材料微观组织发生改变。

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12. 电子束快速成形制备TC4合金的组织和拉伸性能分析
刘征,刘建荣,赵子博,王磊,王清江,杨锐
金属学报    2019, 55 (6): 692-700.   doi:10.11900/0412.1961.2019.00007
录用日期: 2019-04-04

摘要57)   HTML2)    PDF (10313KB)(464)   

针对电子束快速成形(EBRM)钛合金的组织特点,采用OM、SEM、XRD和TEM等实验手段,分析了EBRM制备TC4合金的微观组织和织构对其拉伸性能的影响规律。结果表明:TC4合金存在着平行于沉积方向的β柱状晶,且柱状晶的宽度随着沉积高度的增加,初始时迅速增加,之后增加的趋势变缓。由于沉积过程中循环的热作用,柱状晶内α片尺寸随着沉积高度的增加而减小。合金存在典型的转变α相织构。微观结构的梯度变化也导致了合金在不同位置的拉伸性能差异。随着X方向拉伸试样位置的升高,合金的屈服强度没有明显的变化,但抗拉强度有所提升;合金的塑性呈现上升的趋势。在合金底部,距离基板10和20 mm处的拉伸试样具有相近的加工硬化指数,低于合金中间的拉伸试样,而合金顶端拉伸试样的加工硬化指数较高。此外,合金还具有拉伸性能的各向异性,45°方向拉伸试样的强度高于X方向和Z方向的拉伸试样,同时Z方向拉伸试样的强度最低,这种强度各向异性主要归因于合金的转变α相织构。

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13. α+β两相钛合金元素再分配行为及其对显微组织和力学性能的影响
黄森森,马英杰,张仕林,齐敏,雷家峰,宗亚平,杨锐
金属学报    2019, 55 (6): 741-750.   doi:10.11900/0412.1961.2018.00460
录用日期: 2019-02-21

摘要73)   HTML2)    PDF (22782KB)(487)   

研究了两相区固溶温度及固溶后冷速对Ti-6Al-4V (TC4)合金元素再分配行为的影响,利用EPMA技术表征了初生α相(αp)以及β转变区域(βt)的元素浓度,考察了βt显微组织尺寸随固溶温度及元素浓度的变化。结果表明:随着固溶温度升高,βt区域元素浓度变化显著,表现为Al含量升高、V含量降低,而αp晶粒中元素浓度变化较小,导致两区域元素浓度差异减小;同一固溶温度下,以不同冷却方式(水冷、空冷及炉冷)冷却的显微组织及元素分布显示,冷却速率越低,αp比例越高,αpβt之间元素浓度差异越明显。合金经固溶水冷、空冷后,βt分别为淬火马氏体、次生α相(αs)+残余β相,2种冷速下βt的显微组织尺寸均与高温β相内的元素浓度水平有关,即βt内部显微组织尺寸受固溶温度的显著影响。利用纳米压痕技术表征了不同固溶温度下微区域(αpβt)的力学特征,结果表明,密排六方(hcp)晶格αp本身呈现的力学行为的各向异性对其纳米压痕性能起决定性作用,而βt的弹性模量及硬度主要受αs片层尺寸的影响。最后讨论了“固溶温度-微区元素浓度-微区显微组织-微区力学性能”之间的关系。

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14. TC11/TC17钛合金线性摩擦焊接头界面研究
杜随更,高漫,徐婉婷,王喜锋
金属学报    2019, 55 (7): 885-892.   doi:10.11900/0412.1961.2018.00512
录用日期: 2019-04-29

摘要50)   HTML2)    PDF (22210KB)(344)   

采用OM、SEM、TEM等手段对TC11和TC17钛合金线性摩擦焊接界面的显微组织进行了分析。结果表明,在焊合界面处发生了动态再结晶,形成了共有晶粒和共有晶界,共有晶粒内焊合界面处形成了一个相界面。合金元素在共有晶界和共有晶粒内相界面处均发生了相互扩散。在共有晶粒和共有晶界形成过程中对溶质元素的排斥、吸附与拖曳作用下,共有晶粒内相界面处合金元素的变化范围比共有晶界处宽,且焊合区相界面处的成分变化要大于相内部。焊合界面处形成了大量细小的针状α相,其内有大量的变形孪晶。共有晶粒内的焊合界面的微观结构包括2个界面(两侧材料各自的再结晶生长界面)和2个生长区(有序和无序),该处动态再结晶也有类似于凝固结晶的有序和无序结晶过程。

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15. 双相钛合金高温变形协调性的CPFEM研究
李学雄,徐东生,杨锐
金属学报    2019, 55 (7): 928-938.   doi:10.11900/0412.1961.2018.00380
录用日期: 2019-04-25

摘要67)   HTML3)    PDF (13091KB)(409)   

基于率相关滑移为主的晶体塑性本构模型,结合Voronoi方法创建双相多晶体集合,研究不同组织特征的Ti-6Al-4V合金的高温变形行为,重点关注双相组织中应力、应变空间分布特征及其演化,应力、应变相间分配,并提出一种变形协调性定量评估方法。结果表明,多晶变形过程中,晶界及其附近是变形的优先响应区域;β晶粒与α晶粒之间存在包围结构特征可加剧局域应变的差异分配;晶粒长短轴比越大,周围异相界面越多,则其局域变形协调性越低。αβ相应力频率统计呈双峰形态,α相中平均应变较高,而β相中应力较高。随α相体积分数增加,拉伸屈服强度和应力协调系数降低,而应变协调系数先降低后升高。随α基面织构体积分数增加,拉伸屈服强度和加工硬化率升高,且应力协调系数升高,而应变协调系数先降低后升高。

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16. TA32钛合金厚板的微观组织、织构与力学性能
程超,陈志勇,秦绪山,刘建荣,王清江
金属学报    2020, 56 (2): 193-202.   doi:10.11900/0412.1961.2019.00226
录用日期: 2019-09-12

摘要64)   HTML3)    PDF (28271KB)(349)   

采用OM、SEM、XRD和EBSD等手段测试表征了60 mm厚TA32钛合金宽幅厚板的显微组织、织构和力学性能。结果表明,TA32钛合金厚板厚度横截面由变形的片层α相和少量残留的β相组成,从表层到中心位置的RD-ND (R面)和TD-ND (T面)组织差异均不明显,但可观察到明显的轧制流线。板材中α相存在直条状和波浪状2种不同的形貌,这主要与它们的晶体取向有关。板材织构类型为典型的T型织构,从厚度横截面的表层到中心部位,显微组织中α相的c轴<0001>逐渐偏离板材TD方向,导致Schmidt因子逐渐增加,是导致从表层到中心位置的拉伸强度逐渐降低的主要原因之一;另外,晶内亚结构比例逐渐降低是导致拉伸强度逐渐降低的另一个重要因素。板材厚度横截面上相同位置的RD和TD方向拉伸性能差异不明显,但沿厚度方向(ND)的拉伸强度和塑性较低。在显微组织无明显差异的条件下,织构是影响TA32钛合金厚板不同位置拉伸强度的主要因素;经双重退火热处理后,显微组织形态差异是影响拉伸强度的主要因素。

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17. 钛合金薄壁件选区激光熔化应力演变的数值模拟
柯林达,殷杰,朱海红,彭刚勇,孙京丽,陈昌棚,王国庆,李中权,曾晓雁
金属学报    2020, 56 (3): 374-384.   doi:10.11900/0412.1961.2019.00198
录用日期: 2019-11-18

摘要145)   HTML2)    PDF (9051KB)(335)   

建立了选区激光熔化(SLM)热-结构耦合瞬时动态有限元模型,探究了激光扫描速率和铺粉层厚度对SLM成形钛合金薄壁件应力演变的影响。结果表明,在热循环作用下,SLM成形钛合金薄壁件的应力演变呈周期性变化。在热应力循环去应力退火作用下,热应力极大值在加热阶段先增加后减小,最后在冷却阶段趋于稳定并接近残余应力。SLM成形薄壁件最终残余应力小于加热过程中的瞬时应力峰值。随沉积高度的增加,热循环作用减弱,应力极大值下降幅度逐渐减小。经过多次热循环去应力退火作用后,SLM成形薄壁件过程中的热应力极大值下降幅度可达30%以上。

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