郭連平，侯廷紅，陳凌瀚，李小林，李 麗，馮志島，段俊菲

（1 成都航利< 集團> 實業(yè)有限公司 四川 成都 611930）

（2 成都金陵能源裝備有限公司 四川 成都 611930）

0 引言

TA15 鈦合金屬于高Al 含量的近α 型鈦合金，其強化機理是在基體中通過α 穩(wěn)定元素進行固溶強化，合金中加入的中性元素以及β 穩(wěn)定元素可提高制造成具有高溫強度、低溫疲勞性能良好和焊接性優(yōu)異等優(yōu)點，廣泛應用于航空發(fā)動機的各類零部件中，如低壓壓氣機、機匣、高壓轉子葉片等低溫部件。同時，由于合金兼?zhèn)洇?型、α+β 型鈦合金的眾多優(yōu)點，從而使得TA15 鈦合金在航天領域、高端裝備行業(yè)中也應用廣泛[1-2]。

3D 打印作為前沿的數(shù)字制造技術，受到了航空航天領域研究者的廣泛關注。30 年前，發(fā)達國家的航空航天部門就開始致力于該技術的應用，目前已經(jīng)廣泛應用于F-22、F-35等最先進的戰(zhàn)斗機中。近年來，隨著我國航空工藝的崛起，3D 技術在我國戰(zhàn)機的零部件中得到大量的應用，使我國成為全球第二個能實現(xiàn)利用3D打印技術制造飛機零部件的國家，邁入3D 打印技術的第一方陣行列。激光3D 技術作為先進自由成形技術，特別是在對性能要求高、結構復雜以及對金屬零件致密性要求極高的產(chǎn)品領域中，是唯一無需模具制造而快速成型的方法。3D 打印技術具有制造周期短、成本低、適應性強、響應快速等優(yōu)點，在鈦合金、超高強度鋼、高溫合金等不易成型加工及傳統(tǒng)工藝成本高等領域具有巨大的經(jīng)濟價值和社會效益。激光3D 打印的零件因組織為亞穩(wěn)定相，因此工程應用過程中需要進一步改善其組織和提高綜合力學性能，那么就需要制度合理可行的熱處理工藝制度。

當前國內(nèi)已有眾多院所開展過鈦合金3D 打印，并且在實驗室已經(jīng)取得階段性的成果。該技術目前在我國尚未能突破裝機使用，技術研發(fā)向工程應用轉型還有一定的差距。但是，國外（尤其俄羅斯）已將3D 打印的鈦合金零件開始在最先進的航空發(fā)動機上使用。因此，開展鈦合金3D 打印的工程應用轉型技術顯得迫在眉睫，而3D 打印后的零件熱處理又是工程應用中的一個關鍵工序。

鈦合金相變點作為關鍵的工藝參數(shù)，在具體生產(chǎn)中，是組織改善、性能提高以及進行不同需求熱處理的重要依據(jù)[3]。由于合金的成分存在差異，牌號相近的鈦合金相變點溫度也存在很大差異。激光3D 打印TA15 鈦合金作為新技術、新領域的基體材料，但公開發(fā)表報道過該合金相變溫度的文獻較少。本項目研究綜合考慮計算法、連續(xù)升溫法等兩類方法來測定激光3D 打印TA15 鈦合金的相變點，可為激光3D 打印TA15 鈦合金零部件的熱處理制定提供參考。

1 實驗材料與方法

本實驗采用激光3D 打印TA15 鈦合金為研究對象。激光3D 打印粉末采用TA15 球形粉末，粉末粒度為（-140 ～325）目，粉末采用等離子旋轉電極法（Plasma Rotating Electrode Process：PREP）制備。本實驗激光3D 打印設備主要由YLS-1000 激光器、工業(yè)機器手、噴嘴、送粉系統(tǒng)、大型防氧化環(huán)境箱、工控柜、水冷系統(tǒng)等構成。采用“氬氣置換+銅觸媒凈化法”使環(huán)境箱中的水、氧含量降低至10 ppm 以下，使激光3D 打印過程在氬氣保護氛圍下進行，防止TC15 鈦合金被N、H、O 雜質(zhì)元素污染，噴嘴保護氣體和同軸載粉氣體均采用純氬氣。

對激光3D 打印TA15 試樣用ICP 進行化學成分（質(zhì)量百分數(shù)）測定，測試結果見表1。

表1 激光熔覆TA15 化學成分 單位：%

激光3D 打印TA15 鈦合金的原始照片見圖1。由圖1可知，激光3D 打印TA15 鈦合金具有典型的細片層狀β轉變組織。

本研究激光3D 打印的鈦合金試樣尺寸為10 mm×10 mm×5 mm，作為連續(xù)升溫金相法的試樣。金相法選擇的淬火熱處理工藝制度依據(jù)為理論計算法，淬火熱處理溫度間隔為10 ℃，每次熱處理保溫時間0.5 h（目的是使得試樣內(nèi)外溫度均勻），保溫結束后將試樣迅速放入室溫的清水中冷卻，待試樣完全冷卻至室溫后[4]，從水中取出進行金相試樣制備。待試樣制備后，用配比為HF ∶HNO3∶H2O=1 ∶3 ∶10的腐蝕劑進行組織腐蝕，腐蝕時間大約15 ～25 s，之后立馬用流動的清水進行沖洗，最后用無水乙醇沖干和電吹風吹干。最后，采用Axio Observer 7 m 光學金相顯微鏡下進行組織觀察并記錄。

2 實驗結果及討論

2.1 計算法測定合金相變點

計算法得出的相變溫度是金相法制度的基礎，計算法是根據(jù)激光3D 打印的TA15 鈦合金各種元素對相變溫度來測算的[5]，其推算公式為：

Tβ=885 ℃+Σ 各元素含量該元素對（α+β）/β 相變點的影響

公式中，885 ℃是純鈦合金相變點。在計算過程中，一定要考慮少量雜質(zhì)元素對相變溫度的影響。

表2 是各類元素對激光3D 打印TA15 合金中的（α+β）/β 相變點影響的參數(shù)。其中，差值為“+”時表示是穩(wěn)定α 元素，可以擴大α 相范圍（降低β 相范圍），從而提高合金相變點溫度；差值為“-”時表示穩(wěn)定β 元素，可以擴大β 相范圍（降低α 相范圍），從而降低合金相變點溫度。

表2 元素對激光3D 打印TA15 相變點的影響

結合激光3D 打印TA15 化學成分（表1）和元素對激光3D 打印TA15 相變點的影響（表2），計算得激光3D 打印TA15 合金相變溫度為：

α 穩(wěn)定元素對相變溫度的影響：

Al：2%×（+14.5 ℃/1.0%）+（6.56-2）%×（+23.0 ℃/1.0%）=+133.88 ℃

Mo：1.79%×（-5.5℃/1.0%）=-9.845 ℃

V：2.20%×（-14℃/1.0%）=-30.8 ℃

β 穩(wěn)定元素對相變溫度的影響：

Fe：0.046%×（-16.5 ℃/1.0%）=-0.7425 ℃

Si：0.048%×（-1 ℃/0.1%）=-0.48 ℃

C：0.020%×（+2 ℃/0.01%）=+4 ℃

N：0.0053%×（+5.5 ℃/0.01%）=+2.915 ℃

H：0.0042%×（-5.5 ℃/0.01%）=-2.31 ℃

O：0.16%×（+2 ℃/0.01%）=+32 ℃

中性元素對相變溫度的影響：

Zr：2.13%×（-2 ℃/1.0%）=-4.26 ℃

根據(jù)α、β穩(wěn)定元素以及中性元素對相變溫度的影響，計算Tα+β/β：

Tα+β/β=885 ℃+29 ℃+104.88 ℃+4℃+2.92 ℃+32 ℃-0.74℃ -0.48 ℃-30.8 ℃-2.31 ℃-9.85 ℃-4.26 ℃≈1009.4 ℃

從上述計算可知，采用計算法推算出的激光3D 打印TA15 鈦合金相變點為100 9.4 ℃左右，理論計算的相變點可為連續(xù)升溫法提供基礎。

2.2 連續(xù)升溫金相法測定激光3D 打印TA15 合金相變點

連續(xù)升溫金相法作為測定相變點溫度的最常用、最可靠的方法，是研究時首選的方法。研究過程中，首先根據(jù)計算法測算出的激光3D 打印TA15 鈦合金相變溫度，來制定淬火熱處理溫度范圍，熱處理溫度選擇的間隔溫度為10 ℃。

試樣制備過程中，采用加熱、保溫以及冷卻的工藝，保溫結束后快速冷卻是為了可靠地得到TA15 鈦合金在該熱處理溫度下的真實顯微組織。試樣制備后，采用金相分析不同淬火熱處理溫度下的激光3D 打印TA15 試樣微觀組織變化規(guī)律，其主要需要觀察的是熱處理試樣中初生α 相的變化情況。需要仔細觀察初生α 相臨消失的溫度，該溫度基本上可以視為激光3D 打印TA15 鈦合金的相變溫度。

根據(jù)計算法推算出的激光3D 打印TA15 鈦合金相變溫度1 009.4 ℃，本文選擇的淬火熱處理工藝溫度范圍為1 000 ～1 040 ℃，5 組淬火熱處理溫度依次為1 000 ℃、1 010 ℃、1 020 ℃、1 030 ℃、1 040 ℃，每組淬火溫度選擇2 個激光3D 打印的TA15 試樣，對10 個淬火的試樣進行金相分析，分析結果見圖2 ～4。

圖2 ～4 為激光3D 打印TA15 鈦合金在不同淬火熱處理溫度下得到的顯微組織。從圖中看出，1000℃淬火后，通過顯微鏡還能發(fā)現(xiàn)合金基體中存在少量的等軸α 相組織。當淬火溫度逐漸升高時，等軸α 相的體積分數(shù)不斷減??；淬火溫度增加至1 010 ℃時，在基體中還能觀察到少量的等軸α 相。當淬火溫度達到1 020 ℃時，等軸α相的含量明顯降低為少量，通過測算其體積分數(shù)大約為1%左右，同時合金基體組織中還出現(xiàn)了少量的針狀馬氏體，說明1 020 ℃和相變溫度接近了；當淬火溫度提高至1 030 ℃和1 040 ℃時，β 晶粒內(nèi)部初生等軸α 相完全消失，可以觀察到白色的大塊β 相基體分布著細針狀馬氏體[6]；表明此溫度已進入激光3D 打印TA15 鈦合金的β相區(qū)。

通過查找相關文獻資料表明[7]，當鈦合金初生α 相含量降低1%時，相變溫度升高1 ℃。因此，可以推斷本工藝研究的激光3D 打印TA15 合金（α+β）/β 相變溫度為1 021 ℃。

2.3 討論

根據(jù)ICP 方式測試的激光3D 打印TA15 鈦合金中的合金化元素及雜質(zhì)元素含量，并根據(jù)各類元素對相變溫度的影響，計算出激光3D 打印TA15 鈦合金的相變溫度為1 009.4 ℃。而采用連續(xù)升溫金相法測試的合金顯微組織對比，得出的激光3D 打印TA15 鈦合金的相變溫度為1 021 ℃。鑒于本試驗選擇的淬火熱處理間隔小，可以認為連續(xù)升溫金相法測定的相變溫度為更準確。

由于激光3D 打印出TA15 鈦合金冷卻速率快，導致組織細小且組織中存在相應力，從而使得連續(xù)升溫金相法和計算法測試的相變點發(fā)生偏差。綜合考慮，激光3D 打印TA15 合金的相變溫度為1 021 ℃。

相變點溫度的大小受化學成分的影響很大，相近牌號的鈦合金其相變溫度也存在很大差異，甚至同一個牌號的鈦合金也會因制作工藝、生產(chǎn)廠家不同導致主元素和雜質(zhì)元素含量存在較大不同，導致相變溫度也相差較大。因此，在實際工程應用過程中，為了組織調(diào)控、性能提高，在選擇熱處理工藝制度時，必須獲得該狀態(tài)鈦合金的相變溫度。

3 結論

本文選用等離子旋轉電極法制備的TA15 粉末，通過激光3D 打印制備成TA15 試樣。對激光3D 打印的TA15 試樣進行ICP 成分測試，并采用計算法推算出了激光3D 打印TA15 鈦合金相變溫度為1 009.4 ℃。

根據(jù)計算法推算的相變溫度，確定了1 000 ℃、1 010 ℃、1 020 ℃、1 030 ℃、1 040 ℃為升溫金相法的淬火溫度。通過金相組織分析，確定激光3D 打印TA15 鈦合金相變?yōu)? 021 ℃。綜合考慮，該批次激光3D 打印TA15鈦合金的相變點為1 021 ℃。