郄喜望1， 張美娟1， 鄒純昱， 黃怡晨， 李俐群

(1.中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京100095； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，先進焊接與連接國家重點實驗室,哈爾濱150001)

0 前言

作為當(dāng)代航空發(fā)動機的主要結(jié)構(gòu)材料之一，鈦合金具有低密度、高強度、耐腐蝕、耐高溫等諸多優(yōu)點，其發(fā)展應(yīng)用水平彰顯著一個國家航空航天工業(yè)的先進程度[1]。先進鈦合金的大量使用是新一代飛機和新型發(fā)動機先進性的主要標(biāo)志，TC4鈦合金被廣泛的用于航空發(fā)動機的機匣和肋板等[2]。送粉式激光熔覆修復(fù)技術(shù)是現(xiàn)階段具有較大應(yīng)用潛力的修復(fù)技術(shù)之一，以金屬粉末為原料，在CAD等相關(guān)軟件支持下，通過控制送粉噴嘴和運動機構(gòu)按特定軌跡運動，依據(jù)缺陷的形狀，對待修復(fù)部位進行逐層熔覆，從而完成對帶有缺陷零件的幾何形貌和力學(xué)性能的修復(fù)[3]。

近年來，激光熔覆修復(fù)技術(shù)的發(fā)展得到了國外學(xué)者的廣泛關(guān)注。20世紀(jì)70年代，Gnamuthu率先獲得了激光熔覆技術(shù)的專利。1981年，Rolls-Royce[4]成功將激光熔覆技術(shù)應(yīng)用于噴氣發(fā)動機葉輪葉片的修復(fù)中。Graf等人[5]對Cr-Ni不銹鋼的修復(fù)進行了深入的研究，完成對U形和V形凹槽的修復(fù)。同時，Acharya等人[6-7]對CMSX-4和In100等在高溫合金進行了激光熔覆修復(fù)，都取得了很好的結(jié)果，證明了激光熔覆技術(shù)在高溫合金修復(fù)上的可行性。Liu等人[8]成功使用AlSi12和7075鋁合金的混合粉末對6.25 mm的7075-T6鋁合金板材進行了修復(fù)。

中國許多高校和研究所已經(jīng)意識到激光熔覆技術(shù)在結(jié)構(gòu)件修復(fù)上的重要性，并已經(jīng)開展了相關(guān)研究。Liu Q等人[9-10]對TC17鈦合金的上的槽缺陷進行了激光熔覆修復(fù)，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)開槽形狀為半圓形時，修復(fù)表面與激光束夾角較小，激光能量無法被待修復(fù)表面吸收，從而導(dǎo)致了側(cè)壁未熔合的出現(xiàn)。何毅[11]研究了離焦量和粉末焦點位置對熔覆層質(zhì)量的影響，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激光功率、掃描速度和送粉量一定時，熔覆層寬度隨著離焦量和激光光斑尺寸的增大而增大。劉賢德[12]研究了掃描路徑對激光熔覆修復(fù)試樣表面硬度的影響，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用回形搭接時，激光從外向內(nèi)并逐道掃描，修復(fù)區(qū)域中心溫度梯度較大，修復(fù)后冷卻時間較長，導(dǎo)致其表面硬度較低；而熱搭接熔池存在時間較長，粉末熔化較為充分，所以表面硬度較高。

章敏等人[13]通過研究鈦合金的激光增材制造發(fā)現(xiàn)激光功率和掃描速度是沉積層的寬度的主要影響因素。Silva等人[14]研究了激光修復(fù)過程中激光功率，掃描速度和送粉量對熔覆效率和稀釋率的影響，研究發(fā)現(xiàn)，在一定參數(shù)范圍內(nèi)，激光功率對熔覆效率和稀釋率影響較小，而掃描速度和送粉量產(chǎn)生明顯影響。王剛等人[15-16]對鎳基高溫合金的焊接修復(fù)進行了研究，對激光修復(fù)的參數(shù)提供了一定參考。張?zhí)靹偟热薣17]發(fā)現(xiàn)涂層中彌散分布的納米顆?？梢栽谝欢ǔ潭壬咸岣吡送繉拥娘@微硬度。李曉錫等人[18]發(fā)現(xiàn)采用匹配的熔覆材料和優(yōu)化工藝參數(shù)可以減少內(nèi)部缺陷。

上述研究為航空鈦合金的修復(fù)提供了寶貴的經(jīng)驗參考。但現(xiàn)階段，針對鑄造態(tài)航空機匣部件，國內(nèi)的主流缺陷修復(fù)方式仍為手工TIG填絲修復(fù)，激光熔覆修復(fù)技術(shù)對于ZTC4材料的修復(fù)仍存在從試驗到工藝應(yīng)用的鴻溝。因此，為了進行激光熔覆修復(fù)鈦合金的工藝探索，以ZTC4平板圓孔修復(fù)為研究對象，開展修復(fù)區(qū)微觀組織、力學(xué)性能及失效分析的研究。

1 試驗方法

1.1 試驗材料

試驗用母材為ZTC4鈦合金板材，是標(biāo)準(zhǔn)牌號的航空用鈦合金，廣泛應(yīng)用于噴氣發(fā)動機葉輪葉片的制造。其名義成分為Ti-6Al-4V，表1為相關(guān)元素的含量。試驗用ZTC4板材尺寸為100 mm×100 mm×5.5 mm，屈服強度為820.0 MPa，抗拉強度為899.7 MPa，斷后伸長率為6.6%。

為使修復(fù)區(qū)與母材區(qū)形成較好的熔合，保證待修復(fù)試樣具有較好的力學(xué)性能，因此在選取粉末成分時，應(yīng)保證粉末的成分與母材成分盡量相近。試驗中激光修復(fù)所用粉末為氣霧化制備的TC4粉末，顆粒度為45～105 μm，球狀度良好，粉末的掃描圖片如圖1所示。

表1 TC4鈦合金的化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

圖1 TC4粉末

1.2 試驗設(shè)備及方法

試驗中所使用的設(shè)備主要有：IPG YLS-4000光纖激光器，雙桶送粉器，含有數(shù)控系統(tǒng)的充氬艙和Fraunhofer ILT同軸送粉頭。在修復(fù)前，首先需要使用化學(xué)試劑對鈦合金板材進行清洗。將板材在1%HF和3%HNO3的水溶液中浸泡5 min，并用鋼絲刷刷去板材表面的氧化膜和油污，隨后用清水沖洗掉殘余溶液，然后在120 ℃烘干箱中保溫1 h，將烘干后的板材表面用丙酮試劑擦拭并放入充氬艙中。試驗中使用的TC4鈦合金粉末同樣需要在烘干箱中烘干1 h，再放入送粉器中。待修復(fù)區(qū)域位于ZTC4板材的中心，孔深為5 mm，底部直徑φ10 mm，側(cè)壁開45°坡口，待修復(fù)區(qū)域如圖2所示。

激光熔覆修復(fù)過程使用的激光頭焦距為250 mm，聚焦光斑直徑為0.27 mm，分別選取離焦量為-15 mm和-5 mm的工藝參數(shù)進行修復(fù)試驗，此時光斑直徑分別為2.5 mm和1.0 mm，表面搭接方式及順序搭接修復(fù)示意圖如圖3所示。

圖2 待修復(fù)孔外觀形貌

圖3 搭接修復(fù)示意圖

在修復(fù)過程前應(yīng)先向充氬艙中充入氬氣，控制充氬艙中水氧含量低于0.01‰，以防止鈦合金在修復(fù)過程中發(fā)生嚴(yán)重的氧化。在修復(fù)過程中，先將同軸保護氣和載粉氣開啟，以保證粉末的均勻送出。隨后在設(shè)定好的位置開啟激光和送粉，通過設(shè)定好的程序控制六軸數(shù)控系統(tǒng)的行走，并最終完成不同深度圓孔的修復(fù)。在完成第一次修復(fù)后，用銑刀銑去待修復(fù)區(qū)域，以進行隨后的再次修復(fù)。

單道熔覆工藝試驗分別在光斑直徑2.5 mm和1.0 mm兩種工藝條件下進行，以建立高熱出入高效率修復(fù)，低熱輸入精密修復(fù)兩種工藝模式。試驗過程設(shè)定載粉氣流為9 L/min，保護氣流為15 L/min。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 修復(fù)區(qū)微觀組織形貌

采用光斑直徑2.5mm封邊搭接，光斑直徑1.0 mm封邊搭接及旋轉(zhuǎn)修復(fù)表面形貌分別如圖4～圖6所示。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用封邊搭接和旋轉(zhuǎn)修復(fù)時，修復(fù)區(qū)與母材結(jié)合較好，尺寸精度和表面精度均較好，表面沒有明顯缺陷。當(dāng)修復(fù)路徑采用光斑直徑2.5 mm封邊搭接和旋轉(zhuǎn)修復(fù)后，修復(fù)后試樣成形較好；當(dāng)修復(fù)路徑采用采用光斑直徑1.0 mm封邊搭接時，修復(fù)層數(shù)和修復(fù)道數(shù)均較多，修復(fù)過程精確度較高。

圖4 光斑直徑2.5 mm封邊搭接修復(fù)時表面形貌

圖5 光斑直徑1.0 mm封邊搭接修復(fù)時表面形貌

圖6 旋轉(zhuǎn)修復(fù)表面形貌

搭接修復(fù)后，利用線切割設(shè)備沿修復(fù)的圓孔直徑方向切開，經(jīng)機械打磨拋光試樣后，使用Kroll試劑進行腐蝕，最終在光學(xué)顯微鏡下觀察，獲得了修復(fù)區(qū)截面金相組織，如圖7～圖9所示。

圖7 光斑直徑2.5 mm封邊搭接修復(fù)后金相圖片

圖8 光斑直徑1.0 mm封邊搭接修復(fù)后金相圖片

對比封邊搭接、光斑直徑2.5 mm、不同修復(fù)層數(shù)的微觀組織可以發(fā)現(xiàn)，隨孔深增加修復(fù)層數(shù)增多，β柱狀晶生長方向一致的趨勢更明顯；對比封邊搭接光斑直徑2.5 mm和1.0 mm的微觀組織可以發(fā)現(xiàn)，隨著光斑直徑的減小，順序搭接層厚度減小，導(dǎo)致修復(fù)層數(shù)增多，β柱狀晶細小，組織緊密，同時順序搭接層可獲得更好的平行度，從而使得表面成形平整；對比封邊搭接和旋轉(zhuǎn)修復(fù)的微觀組織可以看出，旋轉(zhuǎn)修復(fù)組織沿修復(fù)方向未出現(xiàn)明顯分層，圓孔外側(cè)及底部細密，中部組織較為粗大。

圖9 旋轉(zhuǎn)修復(fù)后金相圖片

修復(fù)結(jié)果見表2，當(dāng)修復(fù)路徑采用光斑直徑2.5 mm封邊搭接時，具有較高的修復(fù)效率，深3 mm孔(修復(fù)層數(shù)為3層)在修復(fù)后仍有少量氣孔和層間未熔合，沒有明顯的邊界未熔合；當(dāng)修復(fù)路徑采用光斑直徑1.0 mm封邊搭接時，深3 mm孔修復(fù)層數(shù)為7層，修復(fù)時間為85 s，深5 mm孔修復(fù)層數(shù)為10層，修復(fù)時間為132 s，平均修復(fù)時間相比光斑直徑2.5 mm增加了50%以上，導(dǎo)致修復(fù)效率降低，但修復(fù)后未發(fā)現(xiàn)未熔合缺陷且氣孔率較低，整體修復(fù)質(zhì)量得以保障。當(dāng)采用光斑直徑2.5 mm旋轉(zhuǎn)修復(fù)時，平均修復(fù)時間與光斑直徑2.5 mm封邊搭接的修復(fù)時間基本相同，修復(fù)后未發(fā)現(xiàn)邊界未熔合，但修復(fù)層上部層間未熔合較多。

表2 不同修復(fù)工藝的修復(fù)時間對比

根據(jù)以上微觀組織的對比分析可以得出，封邊搭接和旋轉(zhuǎn)搭接的修復(fù)質(zhì)量及修復(fù)效率相近，能在保證修復(fù)效率的情況下保證一定的修復(fù)質(zhì)量。光斑直徑相較于修復(fù)層數(shù)是更主要影響修復(fù)質(zhì)量的工藝參數(shù)。其中光斑直徑2.5 mm修復(fù)時，修復(fù)層厚較大，同一修復(fù)層內(nèi)掃描激光的道數(shù)較少，熱循環(huán)次數(shù)少有利于形成接近鑄造尺寸大小的晶粒，并且能保證較高的修復(fù)效率；而光斑直徑1.0 mm時，修復(fù)層數(shù)增加，激光掃描次數(shù)的增多導(dǎo)致了更多次數(shù)的熱循環(huán)，雖然修復(fù)精度有所提高，但晶粒尺寸明顯增大。光斑直徑一定時，不同修復(fù)層數(shù)下的微觀組織形態(tài)未見明顯區(qū)別。

2.2 修復(fù)樣件力學(xué)性能

對于鈦合金激光熔覆修復(fù)試件，抗拉強度與斷后伸長率是兩個最重要的力學(xué)性能考核指標(biāo)。橫向拉伸時，應(yīng)力垂直于熔覆層的結(jié)合面，可以很好的評估熔覆的結(jié)合強度。同時，與沿熔覆方向的拉伸和沿沉積方向的拉伸比較，橫向拉伸的綜合力學(xué)性能較為薄弱。所以試驗中對修復(fù)試樣的橫向拉伸性能進行了分析，修復(fù)試樣拉伸件截取位置如圖10所示。

圖10 拉伸件截取位置

取常溫下不同工藝參數(shù)與掃描路徑下修復(fù)區(qū)厚度占比為100%的試件進行拉伸試驗，其拉伸曲線如圖11所示，不同工藝參數(shù)與掃描路徑的試件的抗拉強度見表3，從拉伸曲線可以看出，鈦合金修復(fù)試樣整體抗拉強度和斷后伸長率均較高。對比不同工藝及修復(fù)路徑下的拉伸結(jié)果，研究發(fā)現(xiàn)，采用光斑直徑2.5 mm封邊搭接修復(fù)后力學(xué)性能更為優(yōu)越，其修復(fù)后強度幾乎等于母材拉伸強度，且斷后伸長率較高，分析原因可能是因為前文中細小的晶粒帶來的較好的拉伸性能。采用光斑直徑1.0 mm封邊搭接修復(fù)后抗拉強度較低，且斷后伸長率較低。

圖11 不同拉伸試樣拉伸曲線

表3 不同工藝參數(shù)和掃描路徑下修復(fù)試樣力學(xué)性能

截取拉伸試樣位于修復(fù)區(qū)處，并進行常溫拉伸試驗。研究發(fā)現(xiàn)，修復(fù)區(qū)抗拉強度為1 004 MPa，斷后伸長率為10.0%，強度和斷后伸長率均遠高于母材，因此，當(dāng)試件內(nèi)缺陷得到良好的控制后，試件的斷裂位置將為母材或熱影響區(qū)。

2.3 拉伸試樣典型斷裂形式

當(dāng)修復(fù)路徑采用光斑直徑2.5 mm封邊搭接時，其斷裂位置主要為母材區(qū)。采用光斑直徑2.5 mm修復(fù)試樣斷口形貌如圖12所示。通過對其斷口形貌的分析發(fā)現(xiàn)，試樣斷口截面上分布著密密麻麻的小韌窩，是典型的韌性斷裂。同時，修復(fù)試樣拉伸試樣均斷裂在母材位置，說明此時修復(fù)區(qū)和熱影響區(qū)的抗拉強度高度母材的拉伸強度，具有更為優(yōu)良的力學(xué)性能。由此可知，修復(fù)區(qū)內(nèi)部的少量層間未熔合對整體修復(fù)試樣的拉伸性能影響不大。

當(dāng)修復(fù)路徑采用光斑直徑1.0 mm封邊搭接和旋轉(zhuǎn)修復(fù)時，其斷裂位置主要為熱影響區(qū)。將拉伸試樣的斷口放在SEM下觀察，光斑直徑1.0 mm封邊搭接修復(fù)試樣斷口形貌如圖13所示。研究發(fā)現(xiàn)，光斑直徑1.0 mm修復(fù)試樣斷口形貌上同時擁有韌窩和解理面，是典型的準(zhǔn)解理斷口。當(dāng)采用光斑直徑1.0 mm進行修復(fù)時，由于熱影響區(qū)處殘余應(yīng)力較大，熱影響區(qū)處將成為顯微裂紋，受到拉伸應(yīng)力時向兩側(cè)擴展，并最終形成解理斷裂。

圖12 光斑直徑2.5 mm時斷口截面分布著細小韌窩

圖13 光斑直徑1.0 mm時斷口截面分布著韌窩和解理面

2.4 熱處理對修復(fù)試樣微觀組織的影響

去應(yīng)力退火后的熔覆區(qū)組織如圖14所示。通過對熔覆區(qū)組織對比，可以發(fā)現(xiàn)去應(yīng)力退火前后熔覆區(qū)組織差別并不明顯。去應(yīng)力退火后，熔覆區(qū)的β柱狀晶晶界仍保存較好，內(nèi)部的魏氏組織和六方馬氏體組織逐漸向板條狀α相轉(zhuǎn)化，表現(xiàn)為α相長寬比明顯降低。

圖14 去應(yīng)力退火后熔覆區(qū)組織

固溶處理后ZTC4修復(fù)試樣熔覆區(qū)微觀組織如圖15所示。由于研究中選擇的固溶溫度在Tβ以下，固溶處理過程中峰值溫度位于α+β兩相區(qū)，此時，熔覆區(qū)的初生α相無法完全轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪?。此時，未轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪嗟牧今R氏體α相將轉(zhuǎn)變?yōu)榘鍡l狀α相，表現(xiàn)為α相長寬比的降低。在隨后的冷卻過程中，由于水冷時冷卻速度較高，熔覆區(qū)中的β相將在MS點以上快速冷卻，從而形成長針狀的α,馬氏體，因此，表現(xiàn)為飽和的α+α,相和少量的β相。

圖15 固溶處理后熔覆區(qū)組織

時效處理后ZTC4修復(fù)試樣熔覆區(qū)微觀組織如圖16所示。研究發(fā)現(xiàn)，在時效處理后，熔覆區(qū)內(nèi)部的魏氏組織將轉(zhuǎn)化為組織較為均勻的網(wǎng)籃組織。部分固溶處理中形成的長針狀α,馬氏體較為穩(wěn)定，將以細針狀的α,保存下來。剩余的α,相將與熔覆區(qū)內(nèi)部的α相共同粗化，并最終在緩慢冷卻過程中形成大量初生塊狀α相和片狀α相，以及少量的β相轉(zhuǎn)變組織。

圖16 時效處理后熔覆區(qū)組織

2.5 熱處理對修復(fù)試樣力學(xué)性能的影響

在鑄造鈦合金構(gòu)件的力學(xué)性能評定中，拉伸性能是評定其修復(fù)后力學(xué)性能的一個關(guān)鍵參考指標(biāo)。在研究中，將通過研究兩種熱處理工藝對修復(fù)件拉伸性能的影響，進而評估不同熱處理工藝在鑄造鈦合金激光修復(fù)技術(shù)中的應(yīng)用前景。

不同熱處理工藝下ZTC4激光修復(fù)試樣的拉伸曲線如圖17所示，其抗拉強度與斷后伸長率見表4。研究發(fā)現(xiàn)，熱處理前后修復(fù)試樣的拉伸性能變化不大。這是因此對于激光修復(fù)試樣和兩種熱處理后試樣，其斷裂位置均在母材區(qū)，而母材區(qū)熱處理前后組織變化不明顯，因此熱處理不會對修復(fù)試樣的力學(xué)性能產(chǎn)生很大影響。

圖17 不同拉伸試樣拉伸曲線

表4 不同熱處理工藝對修復(fù)試樣力學(xué)性能

熱處理工藝橫向抗拉強度Rm/MPa斷后伸長率A(%)激光修復(fù)9055.2去應(yīng)力退火9095.5固溶+時效9109.2

綜合比較兩種熱處理方法對修復(fù)試樣力學(xué)性能的影響，同時，由于通常整體結(jié)構(gòu)件尺寸較大，配合較為精確，對整體結(jié)構(gòu)件進行熱處理不但會耗費大量的時間和經(jīng)濟成本，且熱處理過程可能對結(jié)構(gòu)件的精度造成影響。綜上所述，通過修復(fù)后熱處理對修復(fù)后整體結(jié)構(gòu)件力學(xué)性能進行改善在實際應(yīng)用中有著較大的局限性。

3 結(jié)論

文中采用同軸送粉式激光熔覆技術(shù)對ZTC4板材的圓孔形缺陷進行修復(fù)，研究了不同工藝、不同掃描路徑及不同熱處理工藝下激光修復(fù)對ZTC4修復(fù)件力學(xué)性能的影響。

(1)封邊搭接和旋轉(zhuǎn)搭接的修復(fù)質(zhì)量及修復(fù)效率相近，能在保證修復(fù)效率的情況下保證一定的修復(fù)質(zhì)量。光斑直徑相較于修復(fù)層數(shù)是更主要影響修復(fù)質(zhì)量的工藝參數(shù)。其中光斑直徑2.5 mm封邊修復(fù)時，熱循環(huán)次數(shù)少有利于形成接近鑄造尺寸大小的晶粒，并且能保證較高的修復(fù)效率。光斑直徑一定時，不同修復(fù)層數(shù)下的微觀組織形態(tài)未見明顯區(qū)別。

(2)光斑直徑2.5 mm封邊搭接3 mm和5 mm圓孔時，抗拉強度分別為905 MPa和911 MPa，斷后伸長率分別為9.2%和9.8%，均超過母材及鑄造板材的抗拉強度和斷后伸長率，修復(fù)質(zhì)量較好。

(3)光斑直徑2.5 mm封邊搭接拉伸件斷口分布大量細小韌窩，呈韌性斷裂；光斑直徑1.0 mm封邊搭接拉伸件斷口由韌窩和解理面構(gòu)成，呈準(zhǔn)解理斷裂。

(4)去應(yīng)力退火后修復(fù)區(qū)的六方馬氏體和魏氏組織逐漸向板條狀α相轉(zhuǎn)化，表現(xiàn)為α相長寬比明顯降低。固溶+時效后修復(fù)區(qū)將形成部分針狀α，馬氏體，大量初生塊狀α相和片狀α相，以及少量的β相轉(zhuǎn)變組織，修復(fù)試樣的綜合力學(xué)性能在熱處理前后變化不大。