王志剛，朱小軍，劉棟

1.航空工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710089

2.北京航空航天大學(xué)，北京 100191

TC18 鈦合金是一種α+β 雙相、高強(qiáng)高韌可焊型鈦合金，退火后的強(qiáng)度在1080MPa以上，是目前退火狀態(tài)下強(qiáng)度最高的鈦合金[1]，將此合金用于飛機(jī)的大型主承力結(jié)構(gòu)來(lái)代替高強(qiáng)鋼，可使飛機(jī)減重15%～20%。因此，蘇-27 飛機(jī)的主起落架扭力臂和前起落架左右支架、伊爾-76 的起落架和機(jī)身部件材料均使用TC18 鈦合金，此外，該合金還用于制造襟翼導(dǎo)軌和其他大型承力構(gòu)件[2]。

激光熔化沉積（LMD）制造技術(shù)是一種基于材料添加的快速凝固“近凈成形”制造技術(shù)，利用激光熔化沉積技術(shù)制造鈦合金構(gòu)件具有快速、無(wú)須模具、材料利用率高、機(jī)械加工量小等優(yōu)點(diǎn)[3]，為大型整體復(fù)雜鈦合金構(gòu)件的制造提供了一條成本低、周期短的新途徑。

在激光增材制造構(gòu)件工程制造和使用過(guò)程中，可能遇到由變形、機(jī)械加工掉刀等造成的零件毛坯局部缺量或者產(chǎn)品使用過(guò)程中意外造成的局部損傷，焊接作為一種成本低、工藝操作靈活的修復(fù)方法可實(shí)現(xiàn)零件的修復(fù)或再制造，TC18鈦合金可以用氬弧焊、電子束焊和等離子焊等多種方式進(jìn)行焊接[4]。目前，對(duì)于傳統(tǒng)成形鈦合金的焊接特性研究已較為成熟，如國(guó)內(nèi)航空工業(yè)領(lǐng)域首次在某新型艦載機(jī)起落架研制中采用了TC18 鈦合金焊接技術(shù)，通過(guò)試驗(yàn)研究某型機(jī)前起落架斜撐桿的焊接和焊后熱處理工藝，形成了完整配套的TC18鈦合金焊接應(yīng)用技術(shù)[5]；電弧增材再制造技術(shù)是根據(jù)離散堆積原理，利用電弧作為載能束，使金屬絲材加熱熔化，在由缺損數(shù)據(jù)模型生成的路徑規(guī)劃程序驅(qū)動(dòng)下，點(diǎn)—線—面—體累加成形，使缺損零件恢復(fù)尺寸形貌和性能的先進(jìn)制造技術(shù)[6]。英國(guó)克蘭菲爾德大學(xué)通過(guò)對(duì)不同4043 鋁合金焊絲電弧增材成形性的對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)焊絲內(nèi)、外部質(zhì)量對(duì)成形性能有重要影響[7]，法國(guó)學(xué)者Branza 等[8]采用電弧熔敷方法對(duì)耐熱鑄鋼軸類(lèi)零件進(jìn)行多道焊修復(fù)，并研究了其修補(bǔ)后的組織特點(diǎn)?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)外在多絲熔覆成形工藝研究領(lǐng)域都以雙絲電弧熔覆成形技術(shù)為基礎(chǔ)，發(fā)展迅猛。如華中科技大學(xué)增材制造團(tuán)隊(duì)用多絲電弧增材方法制造出大型多向建筑結(jié)構(gòu)接頭與高強(qiáng)鋼大型筒體構(gòu)件，達(dá)到較高的研究水平[9]，而激光快速成形鈦合金零件焊接及修復(fù)性能的相關(guān)研究還相對(duì)較少[10]，國(guó)內(nèi)如侯慧鵬等[11]研究了氬弧焊修復(fù)激光成形TC11鈦合金的組織及高周疲勞性能。

根據(jù)激光增材制造構(gòu)件成形階段的不同，對(duì)構(gòu)件的修復(fù)可分為熱處理前修復(fù)和熱處理后修復(fù)。熱處理之后的修復(fù)，由于修復(fù)區(qū)不再進(jìn)行熱處理，因此修復(fù)區(qū)與基材材料熱處理狀態(tài)不同，加之修復(fù)帶來(lái)的熱影響和熱應(yīng)力，均可能導(dǎo)致其力學(xué)性能發(fā)生變化，理論上修復(fù)量受到限制，只能進(jìn)行適量修復(fù)。熱處理前修復(fù)則可保證修復(fù)區(qū)材料和熱處理工藝與增材制造母材的一致性，適用于激光增材制造過(guò)程中的零件修復(fù)。

本文針對(duì)激光增材制造TC18 鈦合金零件制造過(guò)程中的制造缺陷，采用氬弧焊修復(fù)工藝，研究氬弧焊修復(fù)量對(duì)激光增材制造TC18鈦合金組織和靜力、沖擊性能和斷裂韌度等綜合力學(xué)性能的影響，為氬弧焊修復(fù)激光增材制造TC18鈦合金工程應(yīng)用提供參考和依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

本文主要研究30%和50%修復(fù)量對(duì)激光增材制造TC18鈦合金主要力學(xué)性能的影響。其中，修復(fù)量指修復(fù)后采取的力學(xué)性能試件的工作部分截面修復(fù)區(qū)面積Ar和基材面積At之占比，如圖1 所示。力學(xué)性能測(cè)試包括室溫拉伸性能、斷裂韌度和軸向加載疲勞性能。激光增材制造基體為去應(yīng)力退火態(tài)，待修復(fù)區(qū)表面按照激光成形基材工藝處理。修復(fù)前后試驗(yàn)件如圖2所示。

圖1 激光增材制造試件修復(fù)區(qū)及取樣示意圖Fig.1 Repair area and sampling diagram of laser-formed TC18 Titanium alloy test parts

圖2 激光增材制造TC18鈦合金氬弧焊修復(fù)前后實(shí)物照片F(xiàn)ig.2 Photos of laser-formed TC18 Titanium alloy test parts before and after TIG welding repairing

室溫拉伸和室溫沖擊分別按照GB/T 228.1 和GB/T 229進(jìn)行，室溫拉伸采用圓形棒狀試件，室溫沖擊采用U 形沖擊樣，試件取樣部位如圖3所示。室溫?cái)嗔秧g度按照國(guó)標(biāo)GB/T 4161進(jìn)行，試樣分為兩組，取樣示意圖如圖4所示，一組預(yù)制裂紋在修復(fù)區(qū)（A組），另一組預(yù)制裂紋在修復(fù)區(qū)與基材的過(guò)渡區(qū)（B組），如圖5所示，以考察修復(fù)不同區(qū)域的抵抗裂紋擴(kuò)展的阻力。采用未經(jīng)修復(fù)的激光增材制造TC18鈦合金基材的試驗(yàn)件作為力學(xué)性能對(duì)比試驗(yàn)件。

圖3 室溫拉伸、沖擊取樣示意圖（單位：mm）Fig.3 Diagram of room temperature tensile and impact sampling(Unit:mm)

圖4 室溫?cái)嗔秧g度試樣取樣示意圖（單位：mm）Fig.4 Diagram of specimen sampling for room temperature fracture toughness(Unit:mm)

圖5 激光增材制造鈦合金斷裂韌度試樣Fig.5 Fracture toughness samples of TC18 Titanium alloy test parts

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 宏、微觀組織

激光成形TC18 鈦合金氬弧焊修復(fù)區(qū)截面宏觀和顯微組織照片分別如圖6 和圖7 所示，由此可見(jiàn)：（1）對(duì)比修復(fù)量為30%和50%，二者修復(fù)區(qū)深度與設(shè)計(jì)深度符合較好。二者組織特征并無(wú)明顯差別，主要差別為修復(fù)區(qū)深度不同。（2）修復(fù)區(qū)組織中β晶粒較粗大、晶界α明顯，并且修復(fù)區(qū)晶粒為垂直于基材沉積方向生長(zhǎng)的較粗柱狀晶，較激光成形TC18 鈦合金基材晶粒明顯粗大。修復(fù)區(qū)向基材組織過(guò)渡的宏觀組織照片如圖6所示，修復(fù)區(qū)β晶粒較粗大，接近熔合區(qū)的下方為晶粒較細(xì)的熱影響過(guò)渡區(qū)，最終過(guò)渡到晶粒尺寸較均勻的基材區(qū)；顯微組織如圖7所示，除過(guò)渡區(qū)α形狀和尺寸不同以外，修復(fù)區(qū)與基材差別并不明顯，其中修復(fù)區(qū)α相為短棒狀，而基材和過(guò)渡區(qū)α 相為松針狀、長(zhǎng)寬比更高。激光成形TC18鈦合金氬弧焊修復(fù)光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡組織照片如圖8、圖9所示。

圖6 激光成形TC18鈦合金氬弧焊修復(fù)區(qū)截面宏觀30%修復(fù)量組織照片F(xiàn)ig.6 Macro tissue image of laser-formed TC18 Titanium alloy test piece by TIG welding 30%repaired

圖7 激光成形TC18鈦合金氬弧焊修復(fù)區(qū)截面宏觀50%修復(fù)量組織照片F(xiàn)ig.7 Macro tissue image of laser-formed TC18 Titanium alloy test piece by TIG welding 50%repaired

圖8 激光成形TC18鈦合金氬弧焊修復(fù)光學(xué)顯微鏡照片(修復(fù)量30%)Fig.8 Optical microscope tissue image of laser-formed TC18 Titanium alloy test piece by TIG welding repairing(amount repaired is 30%)

圖9 激光成形TC18鈦合金氬弧焊修復(fù)掃描電鏡組織照片(修復(fù)量為30%)Fig.9 Canning electron microscope tissue image of laserformed TC18 Titanium alloy test parts by TIG welding repairing(amount repaired is 30%)

2.2 拉伸性能

激光增材制造TC18 鈦合金氬弧焊修復(fù)件與鍛件對(duì)比件室溫拉伸性能測(cè)試均值結(jié)果見(jiàn)表1，由表1可知：（1）與基材相比，激光增材制造TC18 鈦合金手工修復(fù)30%和50%時(shí)，室溫抗拉強(qiáng)度幾乎無(wú)變化（平均值差值不足10MPa），屈服強(qiáng)度略有提高（20～30MPa）；塑性指標(biāo)降低明顯，斷后延伸率和斷面收縮率分別降低47%～54%和36%～42%。（2）修復(fù)量從30%加大至50%時(shí)，室溫拉伸強(qiáng)度無(wú)明顯差別，修復(fù)區(qū)較基材塑性低，從而導(dǎo)致修復(fù)后塑性下降，隨著修復(fù)量增大，塑性也呈現(xiàn)一定程度的下降。

表1 TC18鈦合金氬弧焊修復(fù)拉伸性能測(cè)試（均值）Table 1 Tensile performance test of TC18 Titanium alloy by TIG welding repairing（mean value）

激光增材制造TC18 鈦合金氬弧焊修復(fù)件室溫拉伸試驗(yàn)件斷口如圖10所示。拉伸斷口中修復(fù)區(qū)斷面平整、無(wú)明顯剪切唇，而基材區(qū)纖維區(qū)面積占比較大且存在明顯塑性特征的剪切唇，因此相比于基材區(qū)，其斷口呈現(xiàn)低塑性特征。結(jié)合拉伸試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明：修復(fù)區(qū)較基材塑性低，從而導(dǎo)致修復(fù)后塑性下降，隨著修復(fù)量增大，塑性也呈現(xiàn)一定程度的下降。

圖10 激光增材制造TC18鈦合金氬弧焊修復(fù)件室溫拉伸試驗(yàn)件斷口(修復(fù)量30%)Fig.10 Fracture of room temperature tensile test piece of laser-formed TC18 Titanium alloy by TIG welding repairing(amount repaired is 30%)

2.3 室溫沖擊性能

激光成形TC18 鈦合金氬弧焊修復(fù)件及基材參比件室溫沖擊韌性對(duì)比測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2，可知：（1）與基材相比，激光成形TC18 鈦合金手工氬弧焊修復(fù)30%和50%時(shí)，修復(fù)試樣室溫沖擊韌性無(wú)明顯降低，其中50%修復(fù)后數(shù)據(jù)較分散，但平均值幾乎無(wú)變化。（2）修復(fù)量從30%加大至50%時(shí)，室溫沖擊韌性略降，平均值降低約7%。

表2 手工氬弧焊修復(fù)量對(duì)激光成形TC18鈦合金室溫沖擊韌性的影響Table 2 Effect of repair quantity of TIG welding on impact toughness of TC18 Titanium alloy by laser forming at room temperature

激光成形TC18 鈦合金氬弧焊修復(fù)件室溫沖擊試驗(yàn)件斷口如圖11 所示，沖擊斷口中修復(fù)區(qū)呈現(xiàn)沿柱晶解理特征，而基材區(qū)斷面起伏較大，呈現(xiàn)韌性特征，與基材相比，修復(fù)區(qū)表現(xiàn)出低塑性特征。

圖11 氬弧焊修復(fù)激光成形TC18鈦合金室溫沖擊試驗(yàn)件斷口(修復(fù)量30%)Fig.11 Fracture of room temperature shock test piece of laser-formed TC18 Titanium alloy by TIG welding repairing(amount repaired is 30%)

結(jié)合拉伸和沖擊試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果及斷口特種可以推斷：修復(fù)區(qū)較基材塑性低；由于沖擊韌性還與強(qiáng)度相關(guān)，因此室溫沖擊韌性測(cè)試結(jié)果并未出現(xiàn)明顯下降。

2.4 室溫?cái)嗔秧g性

激光增材制造TC18 鈦合金氬弧焊修復(fù)件及基材室溫?cái)嗔秧g性對(duì)比測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3，可知：（1）裂紋預(yù)制在修復(fù)區(qū)（A組）和過(guò)渡區(qū)（B組）的斷裂韌性平均值相當(dāng)；（2）修復(fù)件的室溫?cái)嗔秧g度KIC平均值與基材相當(dāng)。從數(shù)據(jù)的分布范圍來(lái)看，修復(fù)件KIC數(shù)據(jù)分布范圍略寬于基材。

表3 TC18鈦合金氬弧焊修復(fù)室溫?cái)嗔秧g性性能測(cè)試結(jié)果對(duì)比表Table 3 Comparison of test results of room temperature fracture toughness of TC18 Titanium alloy by TIG welding

圖12為氬弧焊修復(fù)激光增材制造TC18鈦合金室溫?cái)嗔秧g度試樣宏觀斷口照片。從修復(fù)件的斷口宏觀照片可見(jiàn)修復(fù)區(qū)內(nèi)解理面呈柱狀特征，而基材區(qū)和對(duì)比測(cè)試的基材試樣無(wú)明顯柱狀解理特征。由此可見(jiàn)，晶粒尺寸和特征對(duì)斷口的形貌有明顯的影響。

圖12 手工氬弧焊修復(fù)激光增材制造TC18鈦合金室溫?cái)嗔秧g度試樣宏觀斷口Fig.12 Repairing the macro fracture of TC18 Titanium alloy by TIG welding at room temperature

從組織對(duì)斷裂韌性的影響角度考慮，一般認(rèn)為較粗大組織具有較高的斷裂韌度。修復(fù)區(qū)和過(guò)渡區(qū)與基材組織的主要差別在于：修復(fù)區(qū)晶粒粗大且呈柱狀，過(guò)渡區(qū)宏觀和顯微組織均為修復(fù)區(qū)向基材的過(guò)渡。因此，從宏觀晶粒尺度角度判斷，修復(fù)對(duì)斷裂韌度無(wú)不良影響。同時(shí)，修復(fù)區(qū)、過(guò)渡區(qū)和基材差別并不顯著。綜合考慮，修復(fù)件斷裂韌度并未明顯降低是可以預(yù)見(jiàn)的。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)激光增材制造TC18 鈦合金熱處理前的手工氬弧焊修復(fù)件力學(xué)性能試驗(yàn)研究和結(jié)果進(jìn)行分析，可以得到如下結(jié)論：

（1）氬弧焊修復(fù)件的室溫抗拉強(qiáng)度幾乎無(wú)變化、屈服強(qiáng)度略有提高，但塑性指標(biāo)降低，斷后延伸率和斷面收縮率分別降低47%～54%和36%～42%，這與修復(fù)區(qū)的粗大組織和晶粒取向有關(guān)。

（2）裂紋預(yù)制在修復(fù)區(qū)和過(guò)渡區(qū)的斷裂韌性平均值相當(dāng)，修復(fù)件的室溫?cái)嗔秧g度KIC平均值與基材相當(dāng)。修復(fù)件KIC數(shù)據(jù)分布范圍略寬于基材。

（3）隨著修復(fù)量由30%增大到50%，室溫拉伸強(qiáng)度和斷裂韌性無(wú)明顯變化、沖擊韌性略有降低，平均值降低約7%。

（4）氬弧焊修復(fù)對(duì)激光增材制造結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度、斷裂韌性影響較小，但修復(fù)后塑性降低，該修復(fù)工藝可在小修復(fù)量、低應(yīng)力水平下使用。