李凱，付鵬飛，唐代斌，吳冰，唐振云

中航工業(yè)北京航空制造工程研究所 高能束流加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100024

TC4鈦合金電子束表面造型形貌及近表面組織特征

李凱*，付鵬飛，唐代斌，吳冰，唐振云

中航工業(yè)北京航空制造工程研究所 高能束流加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100024

對采用電子束表面微造型技術(shù)加工的TC4鈦合金非光滑表面進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，通過該技術(shù)加工的非光滑表面具有截面為波浪形的溝槽，而且通過調(diào)節(jié)加工參數(shù)，可制備不同尺寸特征的溝槽。加工的溝槽溝脊處存在連續(xù)分布的魚鱗狀形貌，而溝谷處存在連續(xù)分布的倒V形條紋，魚鱗形貌大小和V形條紋的間距均與加工參數(shù)有關(guān)。加工后的近表面從上至下由熔化區(qū)、熱影響區(qū)和母材組成，熔化區(qū)由馬氏體組成，熱影響區(qū)位于熔化區(qū)和母材之間，其微觀組織與母材也存在很大差異。熔化區(qū)和熱影響區(qū)的顯微硬度均要高于母材，而且在熔化區(qū)和熱影響區(qū)的界面處存在顯微硬度的最大值。電子束表面微造型的減阻效果可以達(dá)到15%以上。

電子束；表面微造型；鈦合金；表面形貌；近表面微觀組織

對于飛行器、水上艦船和水下航行器而言，減小表面摩擦阻力是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的主要途徑之一。飛行器及艦船表面大部分區(qū)域的流動都處于湍流狀態(tài)，降低湍流阻力不僅可以節(jié)約能源、提高效率，而且在消聲減振方面也具有重大貢獻(xiàn)，因此研究湍流邊界層減阻具有重要的學(xué)術(shù)和實(shí)際意義[1]。

20世紀(jì)70年代美國NASA蘭利研究中心發(fā)現(xiàn)順流向的微小溝槽表面可以有效地降低壁面摩擦阻力，這一發(fā)現(xiàn)突破了傳統(tǒng)認(rèn)為的表面越光滑阻力越小的觀點(diǎn)。后續(xù)大量的研究工作也同樣證明，適當(dāng)?shù)谋砻鏈喜墼O(shè)計是一種十分有效的減阻方式[2-3]。關(guān)于表面溝槽的減阻機(jī)理，目前尚沒有得到統(tǒng)一的認(rèn)識[4-5]，Dean和Bhushan[4]認(rèn)為由于表面溝槽的存在，湍流流體僅在溝槽的頂部形成漩渦，并僅在溝槽頂部產(chǎn)生流體快速流動導(dǎo)致的較大黏性摩擦應(yīng)力，而在溝槽底部流體的流動速度較低，只產(chǎn)生較小的黏性摩擦應(yīng)力，相比于光滑表面的整體都存在流體快速流動產(chǎn)生大的黏性摩擦應(yīng)力而言，就達(dá)到了減阻的效果。而且，人們普遍認(rèn)為溝槽的幾何形狀是影響其減阻特性最大的因素，Walsh和Lindemann經(jīng)過大量的試驗(yàn)證明，三角形溝槽具有最佳的減阻特性，其減阻效果優(yōu)于矩形、梯形和凹半圓形等表面溝槽[6]。

利用表面溝槽進(jìn)行減阻的方法簡單易實(shí)現(xiàn)，可通過表面粘貼或表面直接加工，并且可在原有的航行器表面直接進(jìn)行改造，既方便又可節(jié)約成本；另外，利用該方法進(jìn)行減阻具有很高的穩(wěn)定性，不易受周圍環(huán)境和溫度的影響。因此該減阻方法具有廣泛的應(yīng)用前景，目前已成功應(yīng)用于航天、航空、航海、管道運(yùn)輸以及體育競技等多個領(lǐng)域[7]。

電子束表面微造型技術(shù)(Surfi-SculptTM)是英國TWI研究所Dance等發(fā)明的一種新型表面處理技術(shù)[8-13]。該技術(shù)利用電磁場對電子束進(jìn)行快速的復(fù)雜掃描控制，作用于金屬表面使金屬快速熔化、流動、堆積并重新凝固。通過控制電子束的束流參數(shù)和掃描波形，可以在金屬表面快速產(chǎn)生各種微結(jié)構(gòu)。電子束表面微造型技術(shù)具有高效、高精度、表面形貌可控的特點(diǎn)，可用于改善材料表面的機(jī)械性能、摩擦學(xué)性能和連接性能[14-15]。Wang等[16-18]利用Surfi-SculptTM技術(shù)在TC4鈦合金上進(jìn)行了電子束毛化的相關(guān)研究，而對用于減阻目的的表面溝槽方面的研究最早由TWI提出方法，但目前還未見公開報道。最新的試驗(yàn)研究表明，電子束表面微造型技術(shù)可在金屬表面制備各種不同尺寸的表面溝槽。

本工作擬對電子束表面微造型技術(shù)在TC4鈦合金制備的表面溝槽進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究，為該技術(shù)運(yùn)用于實(shí)現(xiàn)減阻的目的奠定技術(shù)基礎(chǔ)和理論依據(jù)。本文通過不同試驗(yàn)方法考察了運(yùn)用電子束表面微造型技術(shù)制備的非光滑表面的形貌特征(包括溝槽深度和溝槽間距)。由于電子束表面微造型在制備過程中經(jīng)歷了熔化、快速冷卻和重新凝固的過程，其微觀組織和母材可能存在較大差異，而且可能導(dǎo)致制備表面微造型后的性能有所改變，但目前對其研究并不多。因此，本文還對電子束表面微造型加工產(chǎn)生的近表面微觀組織和顯微硬度的梯度分布規(guī)律進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)用材料為100 mm×50 mm×2 mm的TC4鈦合金薄板，其化學(xué)成分(wt%)為：Al 6.35，V 4.05，F(xiàn)e 0.3，C≤0.1，N≤0.05，H≤0.015，O≤0.2，余量為Ti。采用北京航空制造工程研究所自主研制的電子束加工設(shè)備(ZD150-15MH CV3M)在TC4薄板上制備具有溝槽的非光滑表面，其中加速電壓為150 kV，選取不同的電子束束流參數(shù)，制備不同尺寸特征的表面溝槽。

采用Taylorsurf 5P-100接觸式表面輪廓儀對非光滑表面的形貌特征(包括溝槽深度和溝槽間距)進(jìn)行分析，并用Leica DMI 5000M光學(xué)顯微鏡對表面形貌進(jìn)行觀測。為了考察近表面微觀組織和顯微硬度的梯度分布，分別沿橫向和縱向制備尺寸為10 mm×10 mm×2 mm的截面試樣。經(jīng)鑲樣、研磨后，用粒徑為0.05 μm的SiO2懸浮液進(jìn)行最終拋光，并在Kroll試劑(92 mL H2O, 6 mL HNO3, 2 mL HF)中浸蝕大約10 s，之后用光學(xué)顯微鏡觀測試樣近表面微觀組織。最后利用TUKON 2500顯微硬度計測試試樣近表面的顯微硬度，設(shè)置載荷為100 g，保持時間為10 s。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面形貌

圖1所示為在2個TC4鈦合金樣品上采用不同參數(shù)利用電子束表面微造型技術(shù)制備的非光滑表面三維示意圖。圖中所示的上表面為電子束加工后的非光滑表面，加工后未經(jīng)過任何處理；圖中所示的截面經(jīng)過1000#SiC砂紙的研磨處理。

圖1 TC4鈦合金非光滑表面
Fig.1 Non-smooth surface of TC4 alloys

從圖1(a)和1(b)均可看到，經(jīng)過電子束表面微造型技術(shù)加工的TC4鈦合金表面存在平行于y方向的溝槽，溝槽在x方向呈波浪形，并存在有規(guī)律間距的波峰和波谷。另外，從圖中也可以發(fā)現(xiàn)，溝脊(x方向的波峰)上沿y方向存在有規(guī)律分布的魚鱗狀形貌；而在溝谷(x方向的波谷)處沿y方向存在有規(guī)律分布的V形條紋特征，而且溝谷處的V形條紋尖端與溝脊上的魚鱗形貌尖端的指向正好相反。這些有規(guī)律分布的V形條紋和魚鱗形貌的形成原因?qū)⒃谙挛闹杏懻摗?/p>

樣品1和樣品2在x方向的表面輪廓如圖2所示，可以發(fā)現(xiàn)樣品1和樣品2表面的溝槽在x方向的截面均為在頂點(diǎn)處光滑過渡的三角形。另外，圖中也清晰地反映了2個采用不同參數(shù)制備的非光滑表面的溝槽深度和溝槽間距的不同。對于樣品1，波谷與波谷(或波峰與波峰)的間距約為420 μm，波谷與波峰之間高度差約為25 μm；而對于樣品2，波谷與波谷(或波峰與波峰)的間距相較于樣品1大大增加，約為1 300 μm，波谷與波峰之間高度差也比樣品1更大，約為60 μm。這說明，采用不同的加工參數(shù)可以制備不同尺寸特征的三角形溝槽。也進(jìn)一步說明可以通過調(diào)節(jié)加工參數(shù)，來實(shí)現(xiàn)表面形貌尺寸特征可控的目的。

圖2 TC4鈦合金非光滑表面輪廓曲線
Fig.2 Non-smooth surface profiles of TC4 alloys

圖3 TC4鈦合金表面俯視圖
Fig.3 Plan views of TC4 alloys surface

圖3所示為經(jīng)過電子束表面微造型加工的樣品1和樣品2的非光滑表面俯視圖，在圖中可以更加清晰地看出有規(guī)律分布的魚鱗狀形貌和V形條紋。如圖1中所示，魚鱗狀形貌分布在溝脊，而V形條紋分布在溝谷，于是在圖3中也很容易分辨出三維圖中對應(yīng)的溝脊和溝谷。對于樣品1和樣品2，每個魚鱗形貌尖端與下一個魚鱗形貌尖端的間距均約為210 μm；相同地，兩個樣品上的V形條紋尖端與下一個V形條紋尖端之間的間距也大約均為210 μm。另外，圖3(b)也更加清晰地反映出魚鱗形貌的尖端和V形條紋尖端的指向正好相反這一特征。

在本工作中，電子束表面微造型加工過程產(chǎn)生的熔化金屬液體逐漸堆積并凝固于是形成了波峰，而由于金屬液體的逐漸轉(zhuǎn)移至波峰處而慢慢地形成了低于原始表面的波谷。

當(dāng)電子束流高頻率地在x方向反復(fù)掃描的同時，樣品在y方向也按一定速率移動(圖3(a)中箭頭所示)，這樣，當(dāng)熔化的金屬液體逐漸轉(zhuǎn)移和堆積的同時，由于樣品在y方向也存在移動，從而形成了平行于y方向的溝槽，在x方向的波峰對應(yīng)于y方向形成的溝脊，而x方向的波谷則對應(yīng)于y方向形成的波谷。由于電子束流在x方向的掃描與樣品在y方向移動的共同作用，在金屬表面留下的電子束掃描路徑痕跡則變成了與x和y方向均呈一定角度的斜條紋，兩個相鄰的斜條紋路徑就形成了圖3(b)中所示的V形條紋。V形條紋的尖端實(shí)際上就是兩個相鄰掃描路徑末端的交接處。

另外，在電子束表面微造型加工過程中，當(dāng)電子束流回到x方向同一位置重新進(jìn)行掃描時，由于樣品在y方向已經(jīng)移動了一定距離，于是電子束流將在新鮮的金屬表面完成金屬的熔化、轉(zhuǎn)移、堆積和凝固過程，從而使堆積的金屬液體與上一次堆積的金屬液體在y方向存在一定的距離，這也就是出現(xiàn)有規(guī)律的魚鱗狀形貌的原因。而且，由于樣品在y方向上存在移動，電子束流總是在新鮮的金屬表面完成金屬的熔化、轉(zhuǎn)移、堆積和凝固過程，所以本工作中的電子束表面微造型加工過程中不會出現(xiàn)像電子束毛化過程中的毛刺逐漸長高的過程[19]。如前所述的V形條紋尖端的間距和魚鱗形貌尖端的間距與樣品在y方向的移動速率有關(guān)，它們的間距其實(shí)就是一定時間內(nèi)樣品在y方向上移動的距離，這也就解釋了圖3中所示的兩者間距均約為210 μm的原因。

已有研究證明，工作參數(shù)對電子束毛化過程中毛刺的尺寸特征有很大的影響[11, 18]。在本工作中，樣品1和樣品2的溝槽深度和溝槽間距有很大的差別，但是溝脊處魚鱗形貌尖端以及溝谷處V形條紋尖端在y方向的間距卻大致相同。如上文所述，魚鱗形貌尖端之間和V形條紋尖端之間的間距主要取決于樣品在y方向移動的速度，樣品1和樣品2在y方向設(shè)定了相同的速度，所以它們的間距大致相等。而溝槽深度和溝槽間距主要取決于電子束表面微造型加工過程中的束流參數(shù)和掃描波形。本文作者[19]研究過電子束毛化過程中毛刺的形成機(jī)制，認(rèn)為毛刺的高度和電子束聚焦?fàn)顟B(tài)、掃描路徑長度及空間間隔、熔化金屬的冷卻速度、金屬液體的流動性等因素均有關(guān)系，只要其中一個因素的改變就可能導(dǎo)致毛刺高度的變化。在本工作中，樣品1和樣品2的電子束表面微造型加工采用了不同的束流參數(shù)和掃描波形，于是導(dǎo)致所產(chǎn)生的溝槽深度和溝槽間距均存在很大的差異。

2.2 近表面微觀組織

采用電子束表面微造型技術(shù)加工的TC4鈦合金(2.1節(jié)中的樣品2)近表面微觀組織如圖4所示，其中圖4(a)和圖4(b)所示為不同倍數(shù)下垂直于溝槽方向的截面，圖4(c)和圖4(d)所示為不同倍數(shù)下的平行于溝槽方向的截面。

在圖4(a)中要可以看出電子束表面微造型加工后形成的截面為波浪形的非光滑表面，波峰和波谷位置分別如圖中標(biāo)注所示。如前所述，波谷與波峰之間高度差大約為60 μm。同時也可發(fā)現(xiàn)，圖中所示的截面從上表面沿著深度方向分布著3個存在明顯界限并且呈現(xiàn)不同亮度的區(qū)域。根據(jù)前期的研究結(jié)果[19]可知，這3個區(qū)域從上至下分別為熔化區(qū)、熱影響區(qū)和母材。其中最上端的熔化區(qū)在電子束表面微造型加工過程中，受到高能量密度的電子束流轟擊和掃描等作用，經(jīng)歷了熔化、轉(zhuǎn)移、堆積和再凝固等過程，位于中間的熱影響區(qū)未發(fā)生熔化，但由于熱傳遞使該區(qū)域受到熱作用發(fā)生了固態(tài)轉(zhuǎn)變，而位于最下端的母材未受到熱作用，其組織在電子束加工過程中未發(fā)生改變。由于電子束表面微造型加工過程中各區(qū)域受到的熱作用不同，導(dǎo)致這3個區(qū)域呈現(xiàn)出不同的微觀組織特征并且區(qū)域之間存在明顯的界限。從圖4(b)中可以看到，熔化區(qū)由于經(jīng)歷了熔化和快速的冷卻，其微觀組織為細(xì)針狀α′馬氏體，并且可見原始向上生長的β柱狀晶，其晶界清晰可見。熱影響區(qū)也由于與熱源距離遠(yuǎn)近不同受到的熱作用不同，而在微觀組織上呈現(xiàn)出梯度差異。但母材的組織由于未受到熱作用因而與前兩者存在很大區(qū)別。微觀組織的不同會影響材料對光的反射率，在光學(xué)顯微鏡下觀測時，具有不同微觀組織的區(qū)域由于對光的反射不同而呈現(xiàn)出不同的亮度[20]，因此在獲取的圖片中存在3個具有明顯界限的不同區(qū)域。

從圖4(a)和圖4(b)中還可以發(fā)現(xiàn)，熔化區(qū)呈波浪形分布在電子束表面微造型加工后的TC4鈦合金非光滑表面，其厚度隨非光滑表面在100 μm左右波動。熱影響區(qū)頂部與熔化區(qū)的界面處呈現(xiàn)出相同的波浪形，但底部與母材的界面則大致呈直線形，其厚度也大致在100 μm左右變化。

圖4(c)和圖4(d)所示為平行于溝槽方向的截面。同樣地，在沿深度方向也分布著熔化區(qū)、熱影響區(qū)和母材3個具有不同微觀組織特征的區(qū)域。圖4(d)中所示熔化區(qū)的厚度大約為80 μm，熱影響區(qū)的厚度大約為50 μm。與垂直截面所示厚度的不同說明熔化區(qū)和熱影響區(qū)在整個表面的不均勻性，說明在加工過程中整個表面所受電子束的熱影響存在差異。而早前的研究結(jié)果[21-22]表

圖4 TC4鈦合金近表面微觀組織
Fig.4 Near-surface microstructures of TC4 alloys

明，在電子束表面微造型加工過程中整個樣品表面的加工效果是一致的。二者之間存在差異的原因可能是由于二者采用的加工參數(shù)存在不同，從而導(dǎo)致的加工效果不同。這也說明，若要整個表面達(dá)到均勻的加工效果，應(yīng)該采用合適的加工參數(shù)，以保證良好的電子束加工效果。

2.3 近表面顯微硬度

圖5 TC4鈦合金近表面顯微硬度梯度分布
Fig.5Micro-hardness gradient profiles in near-surface regions of TC4 alloys

材料近表面微觀組織會對材料的很多性能產(chǎn)生很大影響[23]。經(jīng)過電子束表面微造型加工后的TC4鈦合金近表面存在3個具有不同微觀組織特征的區(qū)域，這對材料的性能也可能會產(chǎn)生相應(yīng)的影響?？疾炝私?jīng)過電子束表面微造型加工后的TC4鈦合金(樣品2)近表面區(qū)域的顯微硬度沿深度方向的梯度變化，其結(jié)果如圖5所示。研究過程中，分別對垂直截面和平行截面進(jìn)行了顯微硬度測試，其中在垂直截面還分別就波峰和波谷處的顯微硬度梯度分布分別進(jìn)行了考察(如圖中標(biāo)注所示)。在圖5所示的結(jié)果中，為了更加直觀地比較不同截面上的顯微硬度梯度變化，將熱影響區(qū)與母材的界面處定義為深度的零點(diǎn)，因此圖中所示深度大于零的區(qū)域表示處于母材區(qū)，而深度為負(fù)值時則說明處于熱影響區(qū)或熔化區(qū)。

從圖5中可以看出，所測量的3處位置均在熔化區(qū)和熱影響區(qū)的界面處出現(xiàn)了顯微硬度的極大值，垂直截面的波峰處和平行截面的顯微硬度最大值均約為440 HV，而垂直截面的波谷處的顯微硬度最大值約為405 HV。其中，垂直截面的波峰處和平行截面在相同位置出現(xiàn)了相同的顯微硬度值，與上文中提及的平行截面恰好位于熱影響區(qū)最大厚度(即波峰處)的說法是一致的。

從圖中的結(jié)果還可發(fā)現(xiàn)，三者最接近表面位置的顯微硬度值比較接近，均大約為370 HV。三者的顯微硬度隨著深度的變化也表現(xiàn)出大致相同的趨勢，從最表面開始在熔化區(qū)逐漸增大，在熔化區(qū)與熱影響區(qū)達(dá)到最大值后又在熱影響區(qū)逐漸減小，一直減小到母材后再保持在各自相對穩(wěn)定的值。

在母材區(qū)域，垂直截面的顯微硬度大約為360 HV，平行截面的顯微硬度略低，約為330 HV。該差異可能與TC4鈦合金薄板軋制過程中導(dǎo)致兩個方向上微觀組織的差異有關(guān)。

經(jīng)過電子束表面微造型加工后的TC4鈦合金近表面的熔化區(qū)、熱影響區(qū)和母材的顯微硬度梯度變化規(guī)律與電子束焊接接頭中焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材的顯微硬度的梯度變化規(guī)律比較類似。電子束焊接過程中的快速不均勻加熱和冷卻過程會導(dǎo)致焊接接頭的焊縫區(qū)和熱影響區(qū)產(chǎn)生不同的微觀組織，導(dǎo)致其顯微硬度高于母材，而且在熔合線位置(也就是焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的界面處)由于微觀組織十分復(fù)雜，也會出現(xiàn)顯微硬度的極大值[24]。經(jīng)過電子束表面微造型加工后形成的熔化區(qū)與電子束焊接接頭中的焊縫區(qū)所經(jīng)歷的冶金過程比較類似，而其熱影響區(qū)也與焊接接頭的熱影響區(qū)類似。熔化區(qū)經(jīng)歷了熔化和快速的冷卻過程，在快速冷卻過程中，體心立方結(jié)構(gòu)的高溫β相通過切變轉(zhuǎn)變成細(xì)針狀α′馬氏體，從而使其硬度升高。熔化區(qū)和熱影響區(qū)的界面處冷卻速度最快，產(chǎn)生的細(xì)針狀α′馬氏體最多，因此熔化區(qū)該處硬度最高。而在熱影響區(qū)，雖然未發(fā)生熔化，但溫度已經(jīng)高于相變溫度，該區(qū)在受熱過程中發(fā)生了從密排六方結(jié)構(gòu)的α相向體心立方結(jié)構(gòu)的β相的轉(zhuǎn)變，并在隨后的冷卻過程中又發(fā)生相反的過程。在晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變的過程中，會產(chǎn)生晶格畸變并阻礙位錯的運(yùn)動，從而使其硬度升高。距材料表面越近，受熱影響越顯著，其硬化效果越明顯。因此，熔化區(qū)和熱影響區(qū)的顯微硬度均要高于母材，而且在熔化區(qū)和熱影響區(qū)的界面處存在顯微硬度的最大值。

2.4 減阻效果

為了驗(yàn)證電子束表面微造型的減阻效果，分別在兩個TC4鈦合金翼面模型上利用電子束微造型技術(shù)制備了表面溝槽，并在小型風(fēng)洞中測試了其風(fēng)阻系數(shù)，測試風(fēng)速為24 m/s，分別在-1°、0°和1°的攻角下進(jìn)行了測試。另外，對一個光滑表面的TC4鈦合金翼面模型也進(jìn)行了相同的測試，作為對比試樣，以驗(yàn)證電子束表面微造型加工后的減阻效果，測試結(jié)果如圖6所示。

從圖6中可知，在-1°、0°和1°三個攻角下，電子束表面微造型加工后的翼面模型的風(fēng)阻系數(shù)均比光滑表面的翼面模型有顯著的降低。在攻角為-1°時，光滑翼面模型的風(fēng)阻系數(shù)約為0.02，而電子束表面微造型加工后的翼面模型風(fēng)阻系數(shù)下降至約0.016，減阻效果達(dá)到21.1%。而在攻角為0°和1°時，其減阻效果也分別達(dá)到了15.3%和15.7%。這說明，在鈦合金表面制備的電子束表面微造型具有良好的減阻效果。

圖6 TC4鈦合金非光滑表面微造型風(fēng)阻系數(shù)
Fig.6Drag coefficients of TC4 alloys with Surfi-Sculpted non-smooth surface

3 結(jié) 論

1) 電子束表面微造型技術(shù)可用于TC4鈦合金表面進(jìn)行截面為波浪形的溝槽設(shè)計加工，不同的束流參數(shù)和掃描波形可實(shí)現(xiàn)不同尺寸特征的溝槽加工。

2) 加工的溝槽溝脊處呈現(xiàn)連續(xù)分布的魚鱗形狀形貌，溝谷處呈現(xiàn)連續(xù)分布的倒V形條紋。電子束表面微造型的減阻效果可以達(dá)到15%以上。

3) 加工后的TC4鈦合金近表面從上至下由熔化區(qū)、熱影響區(qū)和母材組成，熔化區(qū)的微觀組織由馬氏體組成，熱影響區(qū)的微觀組織與母材也存在很大差異。

4) 熔化區(qū)和熱影響區(qū)的顯微硬度均要高于母材，而且在熔化區(qū)和熱影響區(qū)的界面處存在顯微硬度的最大值。

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Topographyandnear-surfacemicrostructureofTC4alloytreatedbyelectronbeamsurfi-sculptTM

LIKai*,FUPengfei,TANGDaibin,WUBing,TANGZhenyun

ScienceandTechnologyonPowerBeamProcessesLaboratory,AVICBeijingAeronauticalManufacturingTechnologyResearchInstitute,Beijing100024,China

Thetopographyandnear-surfacemicrostructureofTC4Tialloytreatedbyelectronbeamsurfi-sculptTMwerestudied.Itwasfoundthatthenon-smoothsurfaceofTC4alloyexhibitedwaveshapedgrooveswithsizesabletobecustomizedbyadjustingprocessingparameters.TheridgeofthegroovedisplayedcontinuousscaleswhilethevalleypresentedinvertedVshapestripes.Thedimensionsoftheridgeandvalleyarealsorelatedtoandcouldbecontrolledbyprocessingparameters.Thenear-surfaceregionofTC4alloytreatedbyelectronbeamsurfi-sculptTMisoccupiedbythefusionzone,heataffectedzoneandbasemetalfromthetopdowntotheunderlyingbulkalloy.Themicrostructureofthefusionzoneischaracterizedbymartensitephase,whiletheheataffectedzonesandwichedbetweenthefusionzoneandthebasemetalalsopresentedmicrostructuresdifferentfromthatofthebasemetal.Thefusionzoneandheataffectedzonepossesseshighermicro-hardnesscomparedwiththebasemetal,withthemaximumvalueappearingattheinterfacebetweenthefusionzoneandtheheataffectedzone.Afluid-dragreductionefficiencyover15%isachievedonTC4alloystreatedbyelectronbeamsurfi-sculptTM.

electronbeam;surfi-sculpt;Tialloy;topography;near-surfacemicrostructure

2017-04-26；

2017-05-21；

2017-07-31；Publishedonline2017-08-211259

URL：http://hkxb.buaa.edu.cn/CN/html/20171231.html

AeronauticalScienceFoundationofChina(2015ZE25008)

.E-maillikai.85@foxmail.com

http://hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cn

10.7527/S1000-6893.2017.421361

2017-04-26；退修日期2017-05-21；錄用日期2017-07-31；網(wǎng)絡(luò)出版時間2017-08-211259

http://hkxb.buaa.edu.cn/CN/html/20171231.html

航空科學(xué)基金(2015ZE25008)

.E-maillikai.85@foxmail.com

李凱，付鵬飛，唐代斌，等．TC4合金電子束表面造型形貌及近表面組織特征J． 航空學(xué)報,2017,38(12):421361.LIK,FUPF,TANGDB,etal.Topographyandnear-surfacemicrostructureofTC4alloytreatedbyelectronbeamsurfi-sculptTMJ.ActaAeronauticaetAstronauticaSinica,2017,38(12):421361.

V261.93；TG146.23；TB31

A

1000-6893(2017)12-421361-08

李世秋)