李慶棠，陳秀思，王方彬

（北京航天新風(fēng)機(jī)械設(shè)備有限責(zé)任公司，北京 100854）

Ti-6Al-4V鈦合金因具備密度小、比強(qiáng)度高等優(yōu)勢(shì)，被普遍用在船舶海洋汽車生產(chǎn)等行業(yè)當(dāng)中。

激光選區(qū)熔化技術(shù)（Slective laser melting，SLM）是增材制造技術(shù)中的一種，該制備工藝能夠避免傳統(tǒng)加工方法存在的缺陷，是近幾十年迅速發(fā)展的一種快速原型制造技術(shù)。

鈦合金通常不能通過(guò)各種熱機(jī)械處理來(lái)改變或控制顯微組織，熱處理幾乎是改善鈦合金顯微組織、提高力學(xué)性能的唯一途徑[1]。鈦合金的性能與它的微觀組織形貌有著密不可分的聯(lián)系。而微觀組織取決于熱處理工藝，因此研究鈦合金熱處理工藝對(duì)組織和性能的影響具有重要意義[2]。

1 實(shí)驗(yàn)

為了探究不同熱處理工藝，對(duì)SLM成形TC4合金試樣的顯微組織力學(xué)性能的影響，將試樣在不同熱處理工藝下進(jìn)行退火處理（如表1所示），然后對(duì)試樣進(jìn)行顯微組織觀測(cè)，并用萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)[3]。圖1為拉伸試棒示意圖。本實(shí)驗(yàn)用VHX-600E的光學(xué)顯微鏡進(jìn)行金相組織觀察，其中腐蝕劑的配比為：硝酸：氫氟酸：水為3：1：16，腐蝕時(shí)間為50S；利用BrukerD8型X射線衍射分析儀測(cè)試TC4成形試樣熱處理后試樣的相組成；利用CMT5105微機(jī)控制電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)熱處理前后的試棒進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)。

圖1 拉伸試棒示意圖

表1 熱處理工藝實(shí)驗(yàn)參數(shù)

2 結(jié)果和討論

2.1 熱處理制度對(duì)物相分布的影響

由圖2可知，當(dāng)退火溫度在850℃以下時(shí)，β相含量沒(méi)有明顯變化，當(dāng)退火溫度為1050℃時(shí)，α相含量升高，這可能是馬氏體在該溫度下分解成α相和β相。當(dāng)退火溫度650℃、保溫時(shí)間不同時(shí)，可以看出β相的含量隨著保溫時(shí)間的不同沒(méi)有明顯變化；退火溫度在850℃時(shí)，顯微組織也呈現(xiàn)出相似的變化。這可能是因?yàn)?50℃和850℃的退火溫度都在β相變點(diǎn)溫度以下，相含量對(duì)保溫時(shí)間不敏感。

圖2 XRD測(cè)得的不同熱處理制度下各相含量

2.2 熱處理制度對(duì)顯微組織的影響

圖3為不同熱處理下SLM成形TC4試樣的顯微組織。與直接沉積態(tài)相比，退火后晶界仍保持有較好的連續(xù)性，但晶界處α集束的數(shù)量減少。隨退火溫度升高，條狀α相的數(shù)量先增加后減少再增加，但是可以看出退火溫度在850℃以下時(shí)，α相的變化較小。當(dāng)退火時(shí)間為3h，退火溫度自450℃升高到650℃時(shí)，條狀α相的寬度基本不變，但數(shù)量略有增加；退火溫度850℃時(shí)條狀α相的數(shù)量寬度變化較小，數(shù)量略有減小，這可能是因?yàn)樵摐囟冉咏孪噢D(zhuǎn)變溫度，在該溫度下析出了少量β相，析出的β相在一定程度上會(huì)阻礙α相的生長(zhǎng)；退火溫度1050℃時(shí)可清楚觀察到原始的 β晶界，板條狀α相的數(shù)量明顯增加，這可能是因?yàn)樵撏嘶饻囟认?，加熱使馬氏體組織發(fā)生分解，分解成α相和β相。在650℃下，隨著保溫時(shí)間的增加，條狀α相的寬度逐漸增加，但是保溫時(shí)間在2h、4h、6h時(shí)，其顯微組織種條狀α相的寬度逐漸變寬；從保溫時(shí)間從6h增加到8h，其顯微組織中條狀α相寬度變寬且發(fā)生積聚，形成等軸α相。退火溫度在850℃時(shí)，顯微組織也呈現(xiàn)出相似的變化。這可能是因?yàn)?50℃和850℃的退火溫度都在β相變點(diǎn)溫度以下，保溫時(shí)間對(duì)溫度不敏感，對(duì)試樣微觀組織形貌影響較小。

圖3 不同熱處理制度下SLM成形TC4鈦合金試樣顯微組織

2.3 熱處理工藝對(duì)SLM成形TC4合金試樣拉伸性能的影響

由表2可知，隨著退火溫度的升高，試棒的抗拉強(qiáng)度逐漸降低，這主要是因?yàn)殡S著退火溫度的升高，β相增多，α相減少，使組織的平衡與穩(wěn)定性遭到破壞，從而降低了試樣的力學(xué)性能；試棒的斷后伸長(zhǎng)率隨著退火溫度的升高呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，這主要是因?yàn)闇囟鹊纳呤乖嚇咏M織細(xì)化，提高了其斷后伸長(zhǎng)率，而在1050℃出現(xiàn)的斷后伸長(zhǎng)率的下降，可能是因?yàn)樵摐囟容^高，造成晶粒粗化，從而使得試棒的斷后伸長(zhǎng)率降低。

表2 不同熱處理制度下的試棒的拉伸試驗(yàn)結(jié)果

從表2中可知，1號(hào)試棒的名義抗拉強(qiáng)度1269MPa最高，但是其斷后伸長(zhǎng)率只有6%，2號(hào)試棒的名義抗拉強(qiáng)度1129MPa，比1號(hào)略低，但是其斷后伸長(zhǎng)率為11%。所以綜合來(lái)看，2號(hào)試棒的力學(xué)性能最好。

3 結(jié)論

本文對(duì)不同熱處理制度下的激光選區(qū)熔化成形TC4的微觀組織、物相組成和力學(xué)性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：當(dāng)退火溫度低于850℃時(shí)，試件中β相的含量沒(méi)有明顯變化，當(dāng)退火溫度高于850℃時(shí)，β相含量減少，這可能是因?yàn)樵谠摐囟认略嚰旭R氏體相分解出的α相阻礙了β相的生長(zhǎng)；當(dāng)保溫時(shí)間不同時(shí)，可以看出β相的含量隨著保溫時(shí)間的不同沒(méi)有明顯變化，這可能是因?yàn)樵撏嘶饻囟葲](méi)有達(dá)到β相變溫度，沒(méi)有β相析出，結(jié)果表明，在650℃、保溫3h、溫升速率10℃/min的熱處理工藝下，試棒的名義抗拉強(qiáng)度是1129MPa，斷后伸長(zhǎng)率11%，力學(xué)性能最好。