（南昌航空大學(xué) 輕合金加工科學(xué)與技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，南昌 330063）

鈦合金TC4屬于α+β兩相鈦合金，由于其具有可焊接性好、機(jī)械加工性能良好、比強(qiáng)度和比剛度高、耐腐蝕性好等諸多優(yōu)點(diǎn)[1—2]，所以這類合金在航空航天、海洋等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。鈦合金 TC4零件，在一些惡劣的工作環(huán)境中服役一段時(shí)間后，極易出現(xiàn)表面腐蝕和劃擦、蝕坑、磨損以及表面裂紋甚至斷裂等缺陷。這些缺陷的出現(xiàn)，會(huì)改變 TC4零件的穩(wěn)定性，導(dǎo)致其安全性變差[3—4]。同時(shí)，由于TC4合金材料具有較高的成本，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的制造過(guò)程中極易出現(xiàn)劃痕和擦傷，如果重新加工或者更換這些有缺陷的零件，會(huì)使其成本大大提高[5]，因此，就需要一種先進(jìn)的修復(fù)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)鈦合金零件高質(zhì)量高效率的修復(fù)，并且能夠從力學(xué)性能、幾何性能等方面快速有效地恢復(fù)其使用性能，從而實(shí)現(xiàn)零件壽命的延長(zhǎng)，降低生產(chǎn)成本。

目前，運(yùn)用傳統(tǒng)的修復(fù)技術(shù)修復(fù)鈦合金[6]熱輸入量較大，會(huì)導(dǎo)致零件的熱影響區(qū)變大，產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力和應(yīng)變，使修復(fù)試樣的性能得不到滿足。隨著電子束沉積技術(shù)不斷發(fā)展，以及各項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用的成熟[7—8]，該項(xiàng)技術(shù)逐漸被應(yīng)用于鈦合金零件的成形[9—10]。該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)三維立體零件的快速成形，大大提高了材料的使用率，進(jìn)而降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本[11—12]，同時(shí)，在此基礎(chǔ)上發(fā)展而成的電子束沉積修復(fù)技術(shù)（EBF），可以對(duì)一些具有復(fù)雜形狀的特殊零件，或是存在加工誤差的零件實(shí)現(xiàn)修復(fù)。這在很大程度上節(jié)省了成本，提高了零件的壽命，這對(duì)加工制造業(yè)有很大的幫助[13—14]，而目前國(guó)內(nèi)外主要集中于鈦合金電子束增材制造的研究，對(duì)于鈦合金電子束沉積修復(fù)卻未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。

文中針對(duì) TC4鈦合金零件的服役損傷修復(fù)需求，重點(diǎn)以典型溝槽類的損傷類型為研究對(duì)象，開(kāi)展鈦合金的電子束熔絲成形修復(fù)工藝研究，主要研究?jī)?nèi)容為開(kāi)展不同工藝參數(shù)的成形修復(fù)試驗(yàn)，對(duì)修復(fù)試樣宏觀形貌進(jìn)行分析，獲得工藝參數(shù)對(duì)沉積修復(fù)試驗(yàn)的影響規(guī)律，為電子束沉積修復(fù)試驗(yàn)組織性能分析提供研究基礎(chǔ)。

1 方法

選用母材材料為T(mén)C4（退火態(tài)，尺寸為30 mm×20 mm×10 mm），填充材料為0.8 mm的TC4絲材，試驗(yàn)設(shè)備為KS1-PN150KM真空電子束焊機(jī)，該設(shè)備由電子槍系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、三維工作臺(tái)、行進(jìn)系統(tǒng)以及綜合控制系統(tǒng)組成。修復(fù)試樣為 V形槽試樣。試驗(yàn)是在定電壓60 kV條件下，研究TC4鈦合金電子束成形修復(fù)工藝參數(shù)（電子束流、送絲速度、成形速度）對(duì)修復(fù)試樣的表面宏觀成形及橫截面形貌的影響。通過(guò)控制變量法，在其他工藝參數(shù)不變的情況下，改變其中一種工藝參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究分析，歸納出電子束修復(fù)工藝參數(shù)對(duì)鈦合金修復(fù)試樣的影響規(guī)律。工藝參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 TC4電子束沉積修復(fù)單道試驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Parameters for single pass test of TC4 electron beam deposition repair

試驗(yàn)完成后，對(duì)所需的修復(fù)試樣沿沉積方向進(jìn)行合理切割，然后對(duì)試樣進(jìn)行鑲嵌、拋光、腐蝕，腐蝕液的體積配比為HF∶HNO3∶H2O=1∶2∶7，腐蝕時(shí)間為10 s，觀察其宏觀形貌，分析TC4鈦合金成形修復(fù)工藝參數(shù)對(duì)修復(fù)試樣的影響規(guī)律。

2 結(jié)果分析

2.1 電子束流

在送絲速度為20 mm/s，成形速度為240 mm/min不變的情況下，分別選取電子束流為16,18,20 mA，來(lái)研究電子束流對(duì)修復(fù)成形的影響。3組試樣的宏觀形貌見(jiàn)圖1。通過(guò)對(duì)比上述宏觀形貌發(fā)現(xiàn)，在其他工藝參數(shù)一定時(shí)，在電子束流為18 mA和20 mA時(shí)，修復(fù)試樣的外觀成形較好，而電子束流為16 mA時(shí)，外觀成形存在孔洞和外觀成形不良，同時(shí)在電子束修復(fù)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，使用電子束流為 16 mA時(shí)，修復(fù)試樣每層都熔合不良。初步分析是由于電子束流太小，對(duì)修復(fù)區(qū)的熱輸入不夠，只能使絲材部分熔化，并未與母材產(chǎn)生良好的冶金結(jié)合，進(jìn)而造成修復(fù)試樣表面熔合不良缺陷的產(chǎn)生。

通過(guò)不同電子束流的橫截面宏觀形貌見(jiàn)圖2，可以看出，在其他工藝參數(shù)一定時(shí)，當(dāng)電子束流為 16 mA和18 mA時(shí)，修復(fù)區(qū)內(nèi)部均出現(xiàn)了較大的孔洞，而且隨著電子束流的增加，孔洞尺寸逐漸減小。電子束流為20 mA時(shí)，熱影響區(qū)相對(duì)較大，修復(fù)區(qū)成形良好，宏觀形貌未見(jiàn)明顯的氣孔或孔洞缺陷；對(duì)于16 mA和18 mA時(shí)，宏觀形貌中出現(xiàn)的“V”型孔洞，初步分析產(chǎn)生這種缺陷的原因是在其他工藝參數(shù)不變的情況下，由于熱輸入量的不同，導(dǎo)致絲材熔化的流動(dòng)效果不同，熱輸入較小時(shí)，會(huì)造成內(nèi)部基材與母材熔合不良，進(jìn)而造成“V”型缺陷。隨著熱輸入的增大，這種缺陷得到改善，當(dāng)電子束流為20 mA時(shí)，并未出現(xiàn)“V”型缺陷。

2.2 送絲速度

送絲速度主要研究對(duì)電子束沉積表面形貌的影響。在采用電子束流為 20 mA、成形速度為 240 mm/min的前提下，分別采用15,20,25 mm/s的送絲速度進(jìn)行試驗(yàn)，修復(fù)后的宏觀形貌見(jiàn)圖3。當(dāng)送絲速度為20 mm/s時(shí)，成形樣表面的魚(yú)鱗紋較少，外觀成形良好，成形表面連續(xù)光滑平整。送絲速度主要是在修復(fù)過(guò)程中，通過(guò)與電子束流、成形速度等因素的配合來(lái)影響修復(fù)質(zhì)量，在同樣的成形速度和熱輸入的前提下，當(dāng)送絲速度為25 mm/s時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)絲材熔化面積較少，修復(fù)成形的試樣表面都會(huì)產(chǎn)生明顯的粗糙，產(chǎn)生魚(yú)鱗紋，成形表面不平整，送絲速度為 15 mm/s時(shí)，絲材未能及時(shí)熔化與母材結(jié)合，使成形表面粗糙不平整，送絲速度過(guò)大或過(guò)小，都會(huì)使修復(fù)區(qū)產(chǎn)生內(nèi)部缺陷，對(duì)微觀組織產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響修復(fù)后的性能。

圖1 不同電子束流修復(fù)試樣表面宏觀形貌Fig.1 Surface macroscopic morphology of repair specimen at different electron beam current

圖2 不同電子束流下修復(fù)試樣的橫截面形貌Fig.2 Cross-sectional morphology of repair specimens at different electron beam current

圖3 不同送絲速度下修復(fù)試樣的表面宏觀形貌Fig.3 Surface macroscopic morphology of the repair specimen at different wire feed speeds

2.3 成形速度

成形速度是指電子束沉積修復(fù)時(shí)，工件相對(duì)于電子束光斑的運(yùn)動(dòng)速度，成形速度主要是對(duì)修復(fù)成形的熱輸入量會(huì)產(chǎn)生一定的影響。線能量公式見(jiàn)式(1)[15]。

由式(1)可知，成形速度和電子束流對(duì)線能量的影響是相對(duì)的。文中是在電子束流為20 mA、送絲速度20 mm/s的條件下，成形速度分別采用180,240,300 mm/min時(shí)來(lái)研究成形速度對(duì)修復(fù)成形的影響，3組試驗(yàn)的宏觀形貌見(jiàn)圖4。根據(jù)宏觀形貌可知，在其他工藝參數(shù)一定時(shí)，當(dāng)成形速度為240 mm/min和300 mm/min時(shí)，修復(fù)的試樣外觀成形較為光滑平整，而成形速度為180 mm/min時(shí)，修復(fù)樣表面有密集的魚(yú)鱗紋存在，外觀成形不良。

不同成形速度下修復(fù)試樣的橫截面宏觀形貌見(jiàn)圖5，根據(jù)3種不同成形速度修復(fù)試樣的橫截面宏觀形貌來(lái)看，在一定成形速度的范圍內(nèi)，在同樣的修復(fù)層數(shù)下，隨著成形速度的增加，熱影響區(qū)減小，修復(fù)區(qū)的余高逐漸變小。過(guò)大的成形速度會(huì)使修復(fù)界面存在氣孔缺陷，因此，在其他工藝參數(shù)不變的前提下，選用成形速度為240 mm/min較為合適。

圖4 不同成形速度下修復(fù)試樣的宏觀形貌Fig.4 Surface macroscopic morphology of the repair specimen at different forming speeds

圖5 不同成形速度下修復(fù)試樣的橫截面形貌Fig.5 Cross-sectional morphology of repair specimens at different forming speeds

3 結(jié)論

主要對(duì)鈦合金TC4電子束沉積修復(fù)的電子束流、送絲速度和成形速度3種工藝參數(shù)進(jìn)行了研究，通過(guò)分析獲得如下結(jié)論。

1）在一定范圍內(nèi)，電子束流較小時(shí)，熱輸入較小，母材與修復(fù)區(qū)熔合不良，產(chǎn)生“V”型孔洞缺陷，電子束流較大時(shí)，熱影響區(qū)較大，修復(fù)區(qū)成形良好，未見(jiàn)明顯的氣孔或孔洞缺陷。

2）在一定范圍內(nèi)，送絲速度過(guò)快或過(guò)慢時(shí)，修復(fù)成形的試樣表面都會(huì)產(chǎn)生明顯的魚(yú)鱗紋，成形表面粗糙，不平整。合適的送絲速度會(huì)使修復(fù)試樣表面的魚(yú)鱗紋減少，連續(xù)光滑且平整。

3）成形速度和電子束流對(duì)線能量的影響是相對(duì)的。在一定范圍內(nèi)，成形速度的過(guò)慢時(shí)，在同樣的修復(fù)層數(shù)下，修復(fù)樣表面有密集的魚(yú)鱗紋存在，外觀成形不良。隨著成形速度的增加，熱影響區(qū)減小，修復(fù)區(qū)的余高逐漸變小，但過(guò)大的成形速度會(huì)使修復(fù)試樣存在氣孔缺陷。