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(航空工業(yè)慶安集團(tuán)有限公司，西安 710077)

0 引 言

增材制造(Additive Manufacturing，AM)技術(shù)是基于離散-堆積原理，以三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)模型為藍(lán)本，將材料直接加工制造成形，而無(wú)需其他工藝輔助的一種先進(jìn)制造技術(shù)。基于增材制造原理，將激光作為熱源引入便形成了激光增材制造技術(shù)。金屬高性能激光增材制造技術(shù)主要包括以激光立體成形(Laser Solid Forming，LSF)技術(shù)[1]為代表的同步送粉(送絲)高能束(激光、電子束、電弧等)熔覆技術(shù)和以選區(qū)激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)技術(shù)[2]為代表的粉末床成形技術(shù)。激光立體成形屬于高能束流加工，具有能量高度集中、熔池溫度梯度大、凝固速率可控等優(yōu)點(diǎn)，能使材料快速熔凝而獲得優(yōu)異的顯微組織，從而大幅度提高其強(qiáng)度、塑性和韌性。

隨著航空工業(yè)的發(fā)展，鈦合金在飛機(jī)中的應(yīng)用越來(lái)越多，對(duì)其使用性能的要求也不斷提高。傳統(tǒng)鈦合金加工方法已經(jīng)很難滿足結(jié)構(gòu)復(fù)雜零件的加工,先進(jìn)近凈成形技術(shù)則成為了結(jié)構(gòu)復(fù)雜鈦合金零件制造的發(fā)展方向[3]，因此鈦合金激光立體成形技術(shù)成為了研究熱點(diǎn)[4-8]。

目前，研究人員對(duì)激光立體成形TC4合金的成形工藝研究較多，但是對(duì)成形后和退火處理后合金的拉伸性能和顯微組織的系統(tǒng)研究較少。為此，作者采用激光立體成形技術(shù)制備了TC4合金，研究了該合金退火前后的顯微組織和室溫拉伸性能，并與傳統(tǒng)TC4合金的進(jìn)行了對(duì)比，以期為T(mén)C4合金零件的激光立體成形提供試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)原料為采用等離子霧化法生產(chǎn)的球形Ti6Al4V(TC4)合金粉，平均粒徑120 μm，由加拿大Ravmor公司提供。在真空條件下對(duì)TC4合金粉進(jìn)行160 ℃保溫60 min的烘干處理，以除去合金粉中吸附的水分。

使用LSF-IV型激光立體成形設(shè)備對(duì)TC4合金粉進(jìn)行激光立體成形，激光功率1.2 kW，掃描速度8 mm·s-1，光斑直徑2 mm，層厚0.3 mm，采用惰性氣體保護(hù)，氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.1%。所得合金(沉積態(tài))的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為6.01Al，4.03V，0.054C，0.039Si，0.15Fe，0.032N，0.15O，余Ti。在SX3-15-10型空氣爐內(nèi)對(duì)試驗(yàn)合金進(jìn)行退火處理，退火溫度750 ℃，保溫時(shí)間90 min，出爐空冷至室溫。

1.2 試驗(yàn)方法

在沉積態(tài)和退火態(tài)LSF合金，以及傳統(tǒng)退火態(tài)TC4合金上沿軸向加工出尺寸為φ10 mm×10 mm的試樣，經(jīng)粗磨、細(xì)磨、拋光，用由5 mL HF、12 mL HNO3和83 mL H2O組成的混合溶液腐蝕后，在Observer.Alm型光學(xué)顯微鏡(OM)和TESCAN型掃描電鏡(SEM)上觀察顯微組織。

圖1 取樣方向示意Fig.1 Schematic of sampling direction: (a) vertical to the scanningdirection and (b) parallel to the scanning direction

圖2 拉伸試樣尺寸Fig.2 Size of tensile specimen

分別平行于激光掃描方向和垂直于激光掃描方向(見(jiàn)圖1)截取出直徑15 mm的毛坯試樣，再加工成直徑5 mm的標(biāo)準(zhǔn)棒狀拉伸試樣，試樣尺寸見(jiàn)圖2，根據(jù)GB/T 228.1-2010，在AG-Ⅰ250KN型電子材料拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為室溫(21.5 ℃)，相對(duì)濕度48.2%，拉伸速度1 mm·min-1。在TESCAN型掃描電鏡上觀察斷口形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

由圖3可以看出：沉積態(tài)LSF合金的組織主要由針狀馬氏體α和β相組成，原始β晶界清晰可見(jiàn)，晶內(nèi)的顯微組織具有魏氏組織特征，即可觀察到具有一定位相關(guān)系、有規(guī)則平行排列的呈細(xì)長(zhǎng)針狀的α相束以及α相束間的β相，同時(shí)還可觀察到鈦過(guò)飽和針狀馬氏體α′。這是由于鈦合金的熔化溫度高、熱容量大、熱導(dǎo)率低，正好與激光熔池具有的溫度高、加熱和冷卻快等特點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，因此激光立體成形后合金中形成了α′+β組織；晶界上的原始β相是在高溫快速冷卻時(shí)保留下來(lái)的。退火態(tài)LSF合金的顯微組織由不同取向相互交叉的粗大α板條和板條間β相組成，與沉積態(tài)LSF合金相比，α板條的數(shù)量增加，且α板條發(fā)生一定程度的粗化，長(zhǎng)寬比減小。這是由于退火溫度低于β相轉(zhuǎn)變溫度和再結(jié)晶溫度，在退火過(guò)程中β→α的擴(kuò)散轉(zhuǎn)變較慢，因此在一定的退火時(shí)間內(nèi)僅發(fā)生α板條的粗化。

由圖4可以看出：傳統(tǒng)退火態(tài)TC4合金的顯微組織主要由初生等軸α相和晶間β相組成。

2.2 拉伸性能

由表1可以看出，沉積態(tài)LSF合金的室溫拉伸性能在平行于掃描方向和垂直于掃描方向上的差異較為明顯，平行于掃描方向的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別比垂直于掃描方向的高17.7%和11.0%，伸長(zhǎng)率和斷面收縮率則只有垂直于掃描方向的50.0%和63.5%。

圖3 沉積態(tài)和退火態(tài)LSF合金的顯微組織Fig.3 Microstructures of as-deposited (a-b) and annealed (c-d) LSF alloy: (a, c) OM images and (b, d) SEM images

由表2可以看出，退火態(tài)LSF合金的室溫拉伸性能在平行于掃描方向和垂直于掃描方向上的差異較小，兩個(gè)方向上的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率十分接近。

對(duì)比表1和表2可知：退火態(tài)LSF合金在平行于掃描方向上的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度比沉積態(tài)LSF合金的分別下降了15.8%和10.8%，伸長(zhǎng)率和斷面收縮率則分別提高了66.7%和19.7%；而在垂直于掃描方向上，沉積態(tài)和退火態(tài)LSF合金的拉伸性能差異較小。傳統(tǒng)退火態(tài)TC4合金的抗拉強(qiáng)度為895 MPa，屈服強(qiáng)度為825 MPa，伸長(zhǎng)率為10%，斷面收縮率為25%[9]。對(duì)比可知，激光立體成形TC4合金沉積態(tài)和退火態(tài)的拉伸性能均優(yōu)于傳統(tǒng)退火態(tài)TC4合金的。

圖4 傳統(tǒng)退火態(tài)TC4合金的顯微組織Fig.4 Microstructure of conventional TC4 alloy after annealing

方向抗拉強(qiáng)度/MPa屈服強(qiáng)度/MPa伸長(zhǎng)率/%斷面收縮率/%測(cè)試值平均值測(cè)試值平均值測(cè)試值平均值測(cè)試值平均值垂直于掃描方向1 089,1 068,1 087,1 0921 0841 039,997,1 028,1 0281 02316,14,15,1615.053,50,53,5252.0平行于掃描方向1 268,1 281,1 284,1 2701 2761 111,1 162,1 170,1 1011 1366,9,8,77.536,32,30,3433.0

表2 退火態(tài)LSF合金在不同方向上的室溫拉伸性能Table 2 Tensile properties at room temperature in different directions of annealed LSF alloy

張雙銀等[10]研究發(fā)現(xiàn)，沉積態(tài)LSF試樣內(nèi)部存在較大殘余應(yīng)力，其在垂直于沉積方向上的整體應(yīng)力水平比退火態(tài)LSF試樣的高出59.8%左右，在平行于沉積方向上的則高出72.3%左右。由此可見(jiàn)，退火處理可以有效消除激光成形過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，使得合金在垂直于掃描方向與平行于掃描方向的性能差異降低，因此退火態(tài)LSF合金比沉積態(tài)LSF合金具有更好的各向同性以及更優(yōu)的綜合力學(xué)性能。

2.3 拉伸斷口形貌

由圖5可以看出：沉積態(tài)和退火態(tài)LSF合金在平行于掃描方向上的宏觀拉伸斷口上均觀察到了氣孔缺陷的存在；斷口微觀上呈現(xiàn)出典型的韌窩特征，說(shuō)明在破壞前合金主要承受正應(yīng)力作用，激光立體成形合金的斷裂機(jī)制和傳統(tǒng)TC4合金的相同，均為韌性斷裂；與沉積態(tài)LSF合金相比，退火態(tài)LSF合金斷口上的韌窩更大更深，這說(shuō)明退火態(tài)LSF合金的拉伸性能更加優(yōu)異。

圖5 沉積態(tài)和退火態(tài)LSF合金的拉伸斷口形貌(平行于掃描方向)Fig.5 Tensile fracture morphology (parallel to the scanning direction) of as-deposited (a-b) and annealed LSF alloy (c-d):(a, c) macromorphology and (b, d) micromorphology

3 結(jié) 論

(1) 激光立體成形TC4合金的沉積態(tài)顯微組織主要由針狀馬氏體α和β相組成，原始β晶界清晰可見(jiàn)，晶內(nèi)顯微組織存在魏氏組織特征，即可觀察到α相束及α相束間的β相，同時(shí)還可觀察到鈦過(guò)飽和針狀馬氏體α′；退火態(tài)顯微組織由不同取向相互交叉的粗大α板條和板條間β相組成；與沉積態(tài)組織相比，退火態(tài)組織中α相的含量增加，α板條有一定程度的粗化，長(zhǎng)寬比減小。

(2) 沉積態(tài)和退火態(tài)激光立體成形TC4合金的室溫拉伸性能均優(yōu)于傳統(tǒng)退火態(tài)TC4合金的，退火處理降低了合金在垂直于和平行于掃描方向上的性能差異；退火態(tài)合金在平行于掃描方向上的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度比沉積態(tài)合金的分別下降了15.8%和10.8%，伸長(zhǎng)率和斷面收縮率則分別提高了66.7%和19.7%，而在垂直于掃描方向上，兩種狀態(tài)合金的拉伸性能差異較小。

(3) 沉積態(tài)和退火態(tài)激光立體成形TC4合金的拉伸斷口均呈韌窩特征，斷裂機(jī)制均為韌性斷裂；與沉積態(tài)的相比，退火態(tài)合金拉伸斷口上的韌窩更大更深。