钛合金拥有比强度高、耐高温、耐侵蚀、线膨胀系数低、生物相容性好等特点
，因而被宽泛用于航空航天、能源化工和核工业等领域[1]。不锈钢是利用最宽泛的传统结构资料
，其力学机能优异、出产使用成本较低。

钛合金/不锈钢复合构件不只能充分利用钛合金与不锈钢两种资料的利益
，还能够很好地满足现代设备造作业结构减沉和资料机能多样化的要求。由于钛合金和不锈钢在熔点、线膨胀系数、比热容、热导率等物理机能方面存在显著的差距
，钛合金和不锈钢在焊接过程中容易出现受热不均和内应力过大等问题
，并且钛合金和不锈钢直接衔接容易形成多种金属间化合物
，如TiFe、TiFe2等
，导致接头出现较高的脆性
，难以形成靠得住的衔接[2]。

目前
，钻研宽泛的激光增材造作技术可分为选区激光溶解技术（SLM）和激光直接能量沉积技术（LDED）[3]。

相迸宗选区激光溶解技术（SLM）
，LDED技术可凭据构件的结构特点
，激光头可精确矫捷地进行空间曲面活动
，合用的领域更广。越来越多的钻研选取LDED技术来解决钛合金/不锈钢异种金属衔接难题。Yang等人[4]选取LDED技术
，将316L不锈钢与Ti6Al4V直接进行衔接
，钻研了局批注
，将钛合金和不锈钢直接衔接会在界面处产生强烈的反映区
，天生大量的TiFe金属间化合物
，选取较大的激光功率和较幼的扫描速度会推进钛合金与不锈钢之间的元素扩散
，在较短的功夫内
，不锈钢侧形成了大量的长条形β-Ti以及TiFe金属间化合物。目前LDED技术用于钛合金/不锈钢衔接尚在起步阶段
，对于增材造作缺点节造及元素扩散行为短缺系统深刻的钻研。

因而
，基于上述钻研近况
，针对Ti-4Al-2V钛合金/321不锈钢异种金属复合结构
，文章选取V/Cr中央层
，发展LDED增材造作工艺试验
，对异种金属复合构件进行缺点节造及元素扩散行为钻研
，通过工艺参数优化
，获得成形优良的异种金属复合构件
，为钛合金/不锈钢异种金属衔接的利用奠定技术基础。

1、尝试资料与步骤

如图1所示
，选取粒径为53~150μm的321不锈钢粉末、Ti-4Al-2V粉末、纯V粉末及纯Cr粉末作为试验原资料
，纯金属粉末的纯度≥99.9%。

试验用LDED成形设备由FL020C型光纤激光器、六轴KR30HA机械人等系统组成
，输出功率最高可达2000W
，激光光斑直径为2mm
，LDED试验示意图
，如图2所示。试验前对粉末进行烘干处置
，使用砂纸打磨并用酒精清洁基板
，去除其表表传染物
，试验在含氧量低于50ppm的氩气环境中进行。分歧资料层的LDED工艺参数
，如表1所示。打印实现后选取电离双束扫描电子显微镜及其配套的EDS仪进行复合结构微观组织表征及元素扩散分析
，选取XRD衍射仪对复合结构进行微区物相分析。

2、尝试了局及会商

2.1激光功率对中央层缺点的影响

LDED拥有急剧溶解急剧凝固的特点
，增材过程中粉末中的气体或；て褰肓巳鄢
，熔池急剧冷却时气体来不及逸出从而形成了气孔缺点。气孔通常状态规定
，尺寸较幼
，呈球形或类球形。为了尽可能解除未熔合及气孔缺点
，在LDED前应对粉末进行烘干处置
，在LDED过程中应适当增大激光功率
，以保障足够的热输入及熔池存在功夫
，利于气体逸出[5]。在321不锈钢/Cr/V复合结构当选取分歧激光功率造备V层
，钻研分歧激光功率对中央层缺点的影响。

当激光功率为400W时
，V层上有一些微幼的裂纹以及未熔孔
，复合结构相邻两层的界面结合优良
，无显著缺点
，如图3（a）所示。当激光功率为500W时
，V层存在裂纹缺点
，并且存在微幼的孔洞
，如图3（b）所示。当激光功率为600W时
，V层裂纹削减
，孔洞数量也有所削减
，如图3（c）所示。当激光功率为700W时
，V层质量较好
，该工艺下缺点数量至少
，仅有一些微幼孔洞
，V/Cr结合界面处成型优良
，如图3（d）所示。当激光功率为800W时
，Cr与V中央层上面出现了一条贯通裂纹
，还出现一些密集的孔隙如图3（e）所示。由于沉积V层800W的激光功率较高
，增材过程中中央层的扰爪力较大
，冷却后中央层出现了开裂的景象。通过发展激光功率对中央层缺点的影响钻研
，沉积V层的最优功率为700W。

2.2打印挨次对中央层缺点的影响

以321不锈钢→Cr→V→钛合金的打印挨次造备了异种金属复合结构。选取SEM对复合结构进行了微观组织表征
，如图4所示。

了局批注
，钛合金在V层上的成型质量较差
，界面处存在较多的大尺寸孔洞
，复合结构边缘出现了开裂的景象
，同时V/Cr中央层中也存在微孔缺点。选取钛合金→V→Cr→321不锈钢的打印挨次造备了异种金属复合结构
，各层打印的工艺参数
，如表1所示。选取SEM对复合结构进行了微观组织表征
，如图5所示。了局批注
，复合结构的整体成型质量较好
，V/Cr中央层存在少量的气孔缺点
，复合结构Cr层的边缘处存在裂纹。调整打印挨次后
，以钛合金作为基底层的复合结构的成型质量得到了较好地改善。通过发展打印挨次对中央层缺点的影响钻研
，选取钛合金→V→Cr→321不锈钢的打印挨次为最优成形挨次。

2.3激光沉熔对中央层缺点的影响

激光沉熔的作用是在打印过程中对复合结构进行预热
，减幼打印过程中复合结构的温度梯度
，降低冷却速度
，在肯定水平上开释扰爪力
，从而预防裂纹的产生。本文选取钛合金→V→Cr→321不锈钢的打印挨次
，各层打印的工艺参数如表1所示（V层激光功率为700W）
，在沉积完V层之后立即进行一次激光沉熔处置（处置1）
，在沉积Cr层之前对V层再进行一次激光沉熔处置（处置2）。图6展示了未进行激光沉熔处置的复合结构
，了局显示Cr层垂直裂纹较多
，且在两侧均出现开裂景象
，V层存在一些孔洞缺点
，复合结构中央层的成型质量较差。

图7展示了两次激光沉熔处置后（处置1+处置2）的复合结构。在激光沉熔后
，Cr层中的垂直裂纹险些解除
，V层未见孔洞缺点
，复合结构整体的成型质量较好。了局批注
，激光沉熔处置有利于解除中央层中的裂纹及气孔缺点
，能够有效地解决复合结构的成型质量问题。通过发展激光沉熔对中央层缺点的影响钻研
，对V层进行激光沉熔为最优打印战术。

2.4复合结构元素扩散行为钻研

钛合金中的Ti元素会和不锈钢中的Fe元素易形成TiFe、TiFe2等脆性金属间化合物
，在冷却过程中
，又会因钛合金与不锈钢的线膨胀系数不匹配而导致接头中形成较大内应力
，在内应力的作用下
，硬脆的金属间化合物易开裂形成裂纹
，从而严沉降低复合结构的成型质量。为预防脆性金属间化合物的形成
，本文以V、Cr为中央层
，钻研分歧中央层厚度的复合结构元素扩散行为。

图8（a）（b）（c）别离展示了1层V+1层Cr、2层V+2层Cr、3层V+3层Cr复合结构的EDS了局。3种复合结构的EDS面扫及线扫了局均阐发出元素散布的梯度变动景象
，复合结构相邻两层之间存在肯定的元素扩散景象。由图8（a）可知
，在V层及Cr层中存在较多的Ti元素
，注明1层V+1层Cr中央层结构对于Ti元素的阻隔成效有限。由图8（b）可知
，Ti元素在V层及Cr层中有少量的扩散
，2层V+2层Cr中央层结构对Ti元素有肯定的阻隔成效。由图8（c）可知
，在V层及Cr层中险些观察不到Ti元素
，注明3层V+3层Cr中央层结构对Ti元素的阻隔成效较好。

表2汇总了3种分歧厚度中央层的复合结构的点扫了局
，点扫区域拔取如图8（a）（b）（c）所示。在1层V+1层Cr的复合结构中
，Cr层中Ti元素原子百分比为1.80%
，不锈钢层中Ti元素原子百分比为1.03%；2层V+2层Cr的复合结构中
，Cr层中Ti元素原子百分比为0.42%
，不锈钢层中Ti元素原子百分比为0.47%；3层V+3层Cr的复合结构中
，Cr层中Ti元素原子百分比为0.04%
，不锈钢层中Ti元素原子百分比为0.42%。了局批注
，中央层的厚度越大
，对于复合结构中的Ti、Fe元素扩散的阻隔成效越显著。

选取微区XRD对2层V+2层Cr复合结构试样的不锈钢-Cr界面
，V-Cr界面
，钛合金-V界面进行了物相分析
，测试区域面积为0.5mm×0.5mm
，如图9所示。了局批注
，在不锈钢-Cr界面上检测到（αFe、Cr）和γFe的衍射峰
，（αFe、Cr）是Fe与Cr形成的固溶体
，为BCC结构
，γFe为奥氏体FCC结构。在V-Cr界面上检测到（V
，Cr）固溶体的衍射峰。在钛合金-V界面上检测到αTi、纯V以及（β-Ti
，V）的衍射峰。由于钛合金与321不锈钢之间增长了V/Cr作为中央层
，在复合结构中检测到大量的固溶体
，微区XRD了局批注
，复合结构没有观察到Ti-Fe金属间化合物。因而
，当V层及Cr数量各为2层时
，能够有效地阻隔Ti元素扩散至321不锈钢层
，预防脆性金属间化合物的天生。

3、结论

（1）随着激光功率的增长
，复合结构的V层中的裂纹及孔洞缺点先削减后增长
，当沉积V层的激光功率为700W时
，复合结构中央层的成型质量最佳。

（2）通过扭转复合结构的打印战术
，打印挨次从321不锈钢→Cr→V→钛合金调整为钛合金→V→Cr→321不锈钢
，复合结构的成型质量得到较好地改善。

（3）对复合结构进行两次激光沉熔处置
，降低打印过程中的温度梯度
，减幼冷却速度
，解除了中央层中的裂纹及气孔缺点
，有效地解决了复合结构的成型质量问题。

（4）复合结构元素散布为梯度变动
，相邻各层之间存在元素扩散景象
，中央层厚度越大
，对Ti、Fe元素扩散的阻隔成效越显著。微区XRD了局批注
，复合结构中没有观察到脆性相
，当V层及Cr层各为2层时
，能够有效地阻隔Ti元素扩散至不锈钢层
，预防脆性金属间化合物的天生。

（5）文章的钻研了局为LDED技术造备钛合金/不锈钢异种金属复合结构提供尝试数据及理论基础
，更有利于进一步推进钛合金/不锈钢异种金属复合结构的推广和利用。

参考文件

[1]彭昂
，毛振东.钛合金的钻研进展与利用近况[J].船电技 术
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[2]宋庭丰
，蒋幼松
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[3]杨胶溪
，柯华
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[4]Jia linYang
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[5]李洪强.钛/钢衔接梯度接头的电子束粉末增材造作工艺研 究[D].漯河：漯河理工大学
，2018.