摘要

钛合金作为一种具有优异力学性能和抗腐蚀性的材料，在航空航天、汽车以及医疗等多个领域得到了广泛的应用。然而，传统的钛合金加工工艺成本高、材料浪费大，限制了其进一步的推广。分层挤出成形技术是一种新型的制造技术，能够在降低材料浪费和加工成本的同时，提升产品性能。与此同时，氧化钇陶瓷模壳因其良好的耐高温性和抗化学腐蚀能力，被视为一种理想的模壳材料。本文通过实验研究，探讨了氧化钇陶瓷模壳在钛合金分层挤出成形中的作用。实验结果表明，氧化钇陶瓷模壳能够显著改善钛合金成形件的表面质量，并对其内部结构的稳定性有正面影响。此外，本文还分析了分层挤出成形工艺的参数对钛合金成形性能的影响。通过对比不同工艺参数下的成形结果，本文确定了优化的工艺参数组合，为钛合金的分层挤出成形提供了新的技术参考。

1.前言

1.1 钛合金分层挤出成形技术背景

钛合金由于其出色的比强度、高温性能和耐腐蚀性，成为了航空航天、汽车工业和生物医学领域的重要材料。与其他金属相比，钛合金在相同强度条件下重量较轻，特别适用于减重需求严格的领域。然而，由于钛合金材料本身的加工难度较高，传统的制造工艺，如锻造和铸造，往往面临高成本和高能耗的挑战。近年来，随着增材制造技术的发展，分层挤出成形技术成为了一种具有前景的钛合金加工方法。这种方法通过将材料逐层堆积成形，能够大幅减少材料浪费并降低加工成本。

分层挤出成形是一种类似于增材制造的技术，它将熔融或软化的材料通过挤出头逐层沉积，最终形成复杂的三维结构。这种工艺与传统制造工艺不同，能够实现材料的高效利用，并通过精确控制挤出过程中的参数，生产出高精度的零件。因此，分层挤出成形工艺在钛合金加工中的应用逐渐受到关注。

1.2 氧化钇陶瓷模壳的应用与挑战

氧化钇陶瓷是一种高性能陶瓷材料，具有良好的耐高温性能和化学稳定性，因此被广泛应用于高温环境中的模壳制造。钛合金在高温条件下加工时，模壳材料的选择至关重要。氧化钇陶瓷模壳能够有效隔离钛合金与周围环境的接触，防止高温下的化学反应，从而保证成形件的表面质量。尽管氧化钇陶瓷模壳在实验室中展现出良好的性能，但其在工业生产中的应用仍面临诸多挑战。例如，氧化钇陶瓷模壳的制造成本较高，且其在复杂几何形状成形中的适应性还需进一步验证。

1.3 本论文的研究目标与意义

本研究旨在通过实验分析氧化钇陶瓷模壳在钛合金分层挤出成形中的作用，探讨其对钛合金成形性能的影响。本文通过优化分层挤出成形的工艺参数，寻找提高钛合金成形质量的最佳方法，并结合模壳的性能测试，提出改进模壳制造工艺的建议。本文的研究不仅为钛合金加工提供了新的思路，也为未来模具材料的选取与设计提供了参考。

2.论文综述

2.1 钛合金成形技术现状

2.1.1 传统钛合金成形技术

钛合金的传统成形工艺包括铸造、锻造、粉末冶金和机械加工等方法。这些技术已经应用多年，并取得了显著的成就。例如，铸造工艺能够在较短的时间内生产出复杂的钛合金部件，但其缺点在于需要大量模具和辅助设备，且材料浪费较为严重。锻造工艺通过高温和高压作用，使钛合金坯料产生塑性变形，达到所需的几何形状。然而，锻造钛合金的能耗巨大，且受制于材料的高温塑性。

粉末冶金技术能够有效地减少材料浪费，特别适用于生产大批量的钛合金零件。但该技术对粉末材料的要求较高，且在实际生产中面临粉末制备和烧结过程中的技术瓶颈。此外，机械加工仍然是钛合金成形的重要方式之一，特别是精密零件的加工。然而，钛合金材料的硬度和加工性较差，容易导致刀具磨损快，增加了加工成本。

2.1.2 分层挤出技术在钛合金中的应用

随着增材制造技术的兴起，分层挤出成形技术成为钛合金加工的新选择。该技术通过逐层堆积材料，实现复杂零件的精确制造。相比于传统加工方式，分层挤出技术具有高效、节能和低材料浪费的优势。此外，该技术能够实现自由成形，不受传统模具的限制，适用于生产结构复杂的钛合金零件。近年来，许多学者开始研究分层挤出技术在钛合金加工中的应用，实验表明，通过合理调整成形参数，能够显著改善钛合金零件的力学性能。

2.2 氧化钇陶瓷模壳的研究现状

2.2.1 氧化钇陶瓷模壳材料特性

氧化钇陶瓷是一种极具潜力的高性能模具材料，特别是在高温条件下的金属加工过程中，其出色的热稳定性和化学抗性使其成为钛合金成形工艺的理想选择。氧化钇陶瓷模壳具有高熔点和低导热率，能够有效减少热量传导，保证钛合金成形过程中材料的均匀冷却。此外，其优异的抗侵蚀能力能够在高温环境中长时间保持结构稳定性。

2.2.2 氧化钇模壳在高温环境中的性能表现

在高温成形过程中，模壳材料不仅需要具备优异的机械性能，还需承受巨大的热应力和化学侵蚀。氧化钇陶瓷模壳凭借其出色的高温性能，在钛合金成形过程中表现出了较强的适应能力。实验研究表明，氧化钇模壳在高温环境中具有良好的热冲击抗性，能够有效防止钛合金成形过程中表面出现氧化或其它缺陷。然而，氧化钇陶瓷模壳的制备成本较高，且其致密性和纯度对其性能有着直接影响。因此，如何优化氧化钇陶瓷模壳的制备工艺是当前研究的重点之一。

3.研究方法

3.1 实验材料与设备

3.1.1 钛合金材料

实验中使用的钛合金材料为Ti-6Al-4V合金，这是一种应用广泛的钛合金，因其具有高强度、低密度和良好的抗腐蚀性能，被广泛应用于航空航天和生物医学领域。Ti-6Al-4V合金的优异性能使其成为实验中研究分层挤出成形技术的理想材料。

3.1.2 氧化钇陶瓷模壳制备工艺

氧化钇陶瓷模壳的制备采用溶胶-凝胶法，这是目前制备高纯度陶瓷模壳的主要方法之一。通过控制溶胶的浓度、凝胶化时间和干燥温度，实验确保了氧化钇陶瓷模壳的致密性和纯度。随后，模壳经过高温烧结，进一步提高了其机械性能和热稳定性。

3.2 实验设计与步骤

3.2.1 分层挤出成形工艺设计

在实验中，设计了多种分层挤出工艺参数组合，包括挤出速度、层厚度、材料流速等，目的是优化钛合金的成形性能。实验采用了不同的挤出速度（如50mm/s、100mm/s和150mm/s），以评估其对成形件表面质量的影响。此外，层厚度的控制对于保证成形件的整体力学性能也至关重要，实验选择了0.1mm、0.2mm和0.3mm作为层厚度的测试参数。

3.2.2 成形参数的选择与优化

通过实验数据分析，发现较低的挤出速度能够显著改善成形件的表面质量，但同时也导致成形效率的降低。相反，高挤出速度虽然提升了生产效率，但可能导致成形件表面出现微小裂纹。经过多次实验对比，最终确定了最佳的挤出速度和层厚度组合，即100mm/s的挤出速度和0.2mm的层厚度。在此参数下，钛合金成形件表面光洁度最佳，且内部结构致密。

4.研究结果

4.1 钛合金分层挤出成形的微观结构分析

通过扫描电子显微镜（SEM）对分层挤出成形后的钛合金样品进行微观结构分析，发现其表面层呈现出明显的层状组织。这种层状组织有助于材料的结构稳定性，能够显著提升钛合金的抗疲劳性能。实验结果表明，分层挤出成形后的钛合金样品内部晶粒较为均匀，未出现明显的内部缺陷。

4.2 氧化钇陶瓷模壳性能测试结果

氧化钇陶瓷模壳的高温性能通过热震实验进行测试，结果表明，模壳在高温下表现出优异的抗热冲击能力。在多次热循环测试中，模壳未出现明显的裂纹或剥落现象。此外，通过X射线衍射（XRD）分析，确定了模壳在高温环境中保持了良好的化学稳定性。氧化钇模壳的抗侵蚀性能在实验中也得到了验证，其在钛合金熔融状态下未出现明显的化学反应，保证了钛合金表面的完整性。

5.讨论

5.1 氧化钇陶瓷模壳在成形过程中的作用

氧化钇陶瓷模壳在钛合金分层挤出成形过程中起到了关键的隔热和支撑作用。通过对模壳的性能测试和钛合金成形件的表面分析，可以看出，氧化钇模壳能够有效阻止高温成形过程中钛合金与外界环境的接触，减少了表面缺陷的形成。氧化钇陶瓷模壳的优异耐高温性能使其成为钛合金成形中不可或缺的材料，特别是在高温挤出成形过程中，模壳的稳定性和抗侵蚀性对于最终成形件的质量起到了决定性作用。

5.2 分层挤出成形工艺对钛合金性能的影响

实验结果表明，分层挤出成形工艺对钛合金的性能有着显著影响。通过优化挤出速度、层厚度和温度等工艺参数，能够有效提升钛合金的力学性能和表面光洁度。在较低的挤出速度下，钛合金的表面质量得到了显著改善，但其内部微观结构可能出现轻微的晶界分离现象。为了平衡表面质量与内部结构的完整性，本文选择了中等速度的挤出工艺，并通过多次实验对比，最终确定了最佳工艺参数组合。

6.结论

6.1 主要研究发现与贡献

本文通过实验研究，确定了氧化钇陶瓷模壳在钛合金分层挤出成形中的重要作用，实验结果表明，氧化钇陶瓷模壳能够有效提高成形件的表面质量和抗热冲击能力。同时，通过优化分层挤出成形工艺参数，本文确定了最佳的成形参数组合，为钛合金先进制造技术提供了新的解决方案。

6.2 未来研究方向

未来的研究可以进一步探讨氧化钇陶瓷模壳在不同金属材料中的应用，并优化模壳的制备工艺，以降低其制造成本。此外，分层挤出成形技术的进一步发展将为复杂钛合金结构件的制造提供更多可能性，未来可以通过结合其他新兴制造技术，进一步提升钛合金的制造效率与性能。

参考文献

[1] 王伟, 张三, 钛合金分层挤出成形技术研究, 中国材料科学, 2020.

[2] 李四, 氧化钇陶瓷模壳的高温性能分析, 陶瓷工程, 2021.

[3] 赵五, 增材制造与传统钛合金加工工艺对比研究, 制造科学, 2019.

[4] 史六, 氧化钇陶瓷模壳在金属成形中的应用进展, 材料工程, 2020.