前言
功能梯度材料是由两种或多种材料复合成的新型材料，可在同一结构内实现成分、组织和结构的变化，从而在同一结构的不同位置获得不同性能。
若能够将tc4 钛合金和ta19钛合金连接起来，使构件在冷端具备良好的综合性能，在热端具备良好的高温性能，就能够极大地减少发动机零部件数量，进一步进行结构优化设计，具有深远的工程应用意义。同时，两种钛合金进行连接也能够避免异种材料连接时需要面对的开裂、硬脆相问题，更契合实际应用。
如何进行模拟实验：
通过对激光立体成形tc4-ta19 功能梯度材料的成形过程温度场进行模拟，能够获得较为可靠的温度场数据。进而根据热行为分析成分变化梯度路径和工艺参数对组织的影响，利于进行工艺优化。
本文基于成熟的激光立体成形温度场数值模拟模型，对激光立体成形tc4-ta19 功能梯度材料的成形过程温度场进行模拟，以明晰几种典型成分路径和主要工艺参数对成形过程热行为的影响，并通过实验表征分析成分梯度区中的组织形态变化， 从而为成形高质量高性能的tc4-ta19 功能梯度材料打下基础。
数值模拟和实验方法
本文基于实验验证有限元模型，作相应修改后进行数值模拟。该三维瞬态有限元模型通过生死单元法模拟激光立体成形中的热行为。为反映tc4-ta19 功能梯度材料的成分变化，将不同区域赋予不同材料属性，如图1所示。模型由tc4基体和40层沉积层组成，其中包括20 层的ta19、tc4-ta19 成分梯度区间和剩余层数的tc4。基板尺寸为144 mm×6 mm×100 mm 以保证过程中能充分导热，温度场能尽快进入稳态。
采用控制变量法研究激光功率， 扫描速度和成分路径对成形过程温度场的影响， 共进行10 组模拟。在成分间隔为20%tc4 的成分路径下，分别以激光功率和扫描速度作为变量，如表1所示。
原材料粉末
所用材料为等离子旋转电极雾化方法制备的ta19 钛合金和tc4 钛合金球形粉， 两种合金粉末粒径均在75~150 μm。
成型基板
成形实验所用基材为tc4 钛合金锻坯，尺寸为100mm×100mm×30mm
成型参数
采用激光功率2 500w，扫描速度900 mm/min，层厚1 mm(表1中工艺参数c)，光斑直径6 mm，送粉速率10~15 g/min，分别制备成分路径为g，i 和 j 的3种典型试样。
结果和讨论：
工艺参数和成分路径对成形过程温度场的影响模拟所得的温度场如图2(a~e)和图3(a~e)所示，
图2中所有条件下，熔池的最高温度均超过材料熔点，可实现材料沉积。在扫描速度相同时，更高的激光功率(图2(e))显然会输入更多的热量，从而导致更高的最高温度，等温线位置也明显更低。
小结
激光功率和扫描速度均会影响激光立体成形过程的峰值温度和整体温度场，其中激光功率的影响更显著
图3中，不同成分路径下的熔池温度均能实现材料的沉积。层厚相同时，不同成分路径的宏观温度场未见显著区别；层厚不同时，整体温度场差别明显，小层厚下由于成形高度更低，等温线明显更靠近基板。
综上
激光功率和扫描速度对熔池最高温度和整体温度场的影响较为显著，根据结果判断，c 工艺条件(激光功率为2 500w，扫描速度为700 mm/min)是较为合适的成形工艺参数。
工艺参数和成分路径
对凝固冷却速率的影响
为揭示不同条件下热行为对凝固组织的影响，进一步提取每一成分热循环中最后一次熔化时熔点附近的冷却速率进行对比分析，如图4和图5所示。
小结
根据图4/图5结果可知， 在激光立体成形tc4-ta19功能梯度材料中， 激光功率和成形层厚是影响凝固冷却速率的两个主要因素。而凝固冷却速率决定钛合金的β 晶粒大小，故可通过调整激光功率和成形层厚在一定程度上调控β晶粒尺寸。层厚适当提高利于提高成形效率，而采用较小的层厚能够获得更细化的凝固组织。
激光立体成形tc4-ta19
功能梯度材料的组织
图6为i成分路径的梯度试样过渡区宏、微观组织光镜和电镜**。
图6(a)为50% tc4 成分区宏观组织片。
图7为g 成分路径的梯度试样过渡区组织图。
图7(a)为试样宏观组织
图8为j 成分路径的梯度试样过渡区组织图。
图8(a)为试样宏观组织
小结
从以上结果可以看出，不同成分路径下，成分梯度区内组织均具有较高的连续性，成形质量良好。从宏观组织形貌也可看到，成分梯度越小，组织连续性越高，成分梯度的界面越不明显。高连续性的组织将使得激光立体成形tc4-ta19 功能梯度材料的成分梯度区具有较高的设计自由度，比如根据需要，灵活调整成分梯度区的成分路径，梯度区宽度等因素，利于实际工程应用。
结论
1、在激光立体成形温度场稳定后，激光功率和扫描速度差异均会影响熔池最高温度和宏观温度场，其中激光功率的影响更显著。成分梯度区内的热行为主要受成形层厚影响，对成分梯度不敏感。激光功率2500w，扫描速度700 mm/min 是较为合适的成形工艺参数。
2、模拟结果说明，激光功率和成形层厚是凝固冷却速率的主要影响因素。通过调整激光功率和成形层厚，可以在一定范围内调控凝固冷却速率，以实现对凝固组织的调控。
3、组织形态表征分析说明，成分梯度区宏观组织均为外延生长的β 柱状晶， 晶内为交错的α 板条。α 板条尺寸沿成分梯度方向不断粗化。粗化源于合金成分的变化，tc4 含量越高，α 板条尺寸越大。成分梯度区的成分梯度越小，界面特征越不明显，组织一致性越高。激光立体成形tc4-ta19 功能梯度材料的成分梯度区将具有较高的设计自由度，利于实际应用。
参考文献1：
【激光立体成形tc4-ta19 功能梯度材料的热行为和组织】
文章编号：1000-8365（2022）07-0497-09
更多资讯及产品信息请点击“阅读原文”，登录佛山市铖丰材料***官网
探秘红光十字线激光器的神奇功能
探秘红光十字线激光器的神奇功能。在现代生活中，我们经常会听到激光器这一词汇，它已经渗透到了我们的日常生活中的各个方面。而在激光器的众多种类中，红光十字线激光器是一种非常实用的工具。它不仅具有方便的使用特性，还有着许多神奇的功能。那么，让我们一起来探秘一下红光十字线激光器的神奇功能吧！首先，让我们了解...
人体运动功能的表现形式（收藏）
骨科运动医学倡导 功能至上，早期 重返运动 为 原则和宗旨。医学和运动 也在很早就强调 功能 的重要性。对于讨论关节功能的表现形式，首先关节的结构要是正常的，否则这样的讨论就没有了基础。借用分子化学里面的一句话 结构决定性质，性质反应结构 对于人体的关节来说 结构是功能的基础，功能也能反应结构变化。...
深度盘点三维立体激光切割机价格的影响因素
三维立体激光切割机是激光切割设备中比较的一种切割设备类型，它与管材 板材等类型的激光切割机在功能上存在较大的差异。三维激光切割设备主要应用于汽车制造 机械制造 金属加工等对三维工件有加工需求的企业加工等。三维立体激光切割机，也被称为三维激光切割机，是激光切割设备重要的切割类型。与管材 板材等类型的激...