楊森，黃開虎，李靜，王猛，葉梓萌，趙可馨，鄧雨林，張鳳英

不同類型激光器對(duì)激光多層沉積Ti-35V-15Cr合金顯微組織及性能的影響

楊森1，黃開虎1，李靜2，王猛3，葉梓萌1，趙可馨1，鄧雨林1，張鳳英1

（1.長(zhǎng)安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710064；2.陜西航天動(dòng)力高科技股份有限公司，西安 710064；3.西北工業(yè)大學(xué) 凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072）

探討半導(dǎo)體激光器與CO2激光器對(duì)激光多層沉積合金顯微組織及性能的影響機(jī)理。以充分混合的Ti、V、Cr粉末為原料，于預(yù)先打磨后的Ti-6Al-4V基板上使用CO2和半導(dǎo)體兩種激光器進(jìn)行激光多層沉積Ti-35V-15Cr，通過光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡、激光點(diǎn)火法、顯微硬度測(cè)試和Jmat-Pro軟件計(jì)算分別評(píng)價(jià)不同激光器下沉積試樣的顯微組織特點(diǎn)、抗阻燃性能對(duì)比和組織形成機(jī)理分析。半導(dǎo)體激光器與CO2激光器沉積的試樣顯微組織存在很大差別，前者為全等軸組織，等軸晶平均尺寸為100 μm，晶粒大小與形狀基本一致，沉積區(qū)與基材之間的過渡區(qū)域存在平均寬度為200 μm、長(zhǎng)度為526 μm、長(zhǎng)寬比為2.6的類等軸晶，通過掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)在部分等軸晶內(nèi)部存在亞晶結(jié)構(gòu)；后者主要為平均尺寸120～200 μm的柱狀晶組織，沉積試樣頂部為平均直徑為52 μm的細(xì)小等軸晶，通過掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)枝晶偏析組織，枝晶間的距離為5～10 μm?？棺枞夹苑矫妫雽?dǎo)體激光器制備的Ti-35V-15Cr試樣的抗阻燃性能略優(yōu)于CO2激光器制備的Ti-35V-15Cr試樣，平均顯微硬度前者為375HV，后者為363HV。由于激光多層沉積Ti-35V-15Cr對(duì)半導(dǎo)體激光器與CO2激光器產(chǎn)生的激光吸收率不同而使二者形成完全不同的顯微組織，由半導(dǎo)體激光器制備的Ti-35V-15Cr試樣顯微硬度更高、抗阻燃性能更好。

激光多層沉積；Ti-35V-15Cr；工藝設(shè)備；顯微組織；抗阻燃性能；枝晶偏析

鈦及鈦合金是一種重要的結(jié)構(gòu)金屬，因其質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、船舶、生物醫(yī)療等領(lǐng)域[1-3]。其中航空航天應(yīng)用鈦合金一直是鈦合金領(lǐng)域中最重要的一個(gè)分支，不僅需要有優(yōu)良的綜合性能，還要求具有較高的阻燃性[4]，這是因?yàn)槠胀ㄢ伜辖鹪谝欢ǖ膲毫?、溫度下?huì)發(fā)生“自燃”，俗稱鈦火[5]，導(dǎo)致零件快速失效。

Ti-V-Cr系阻燃鈦合金是目前最具工程意義的航空發(fā)動(dòng)機(jī)用功能性結(jié)構(gòu)材料，它通過形成致密的氧化物阻燃層來阻止氧的擴(kuò)散從而提高阻燃性[6-7]。我國(guó)在Ti-V-Cr系阻燃鈦合金材料、鍛件制備及合金抗點(diǎn)燃性能評(píng)價(jià)方面均取得了較大的進(jìn)展，為Ti-V-Cr系阻燃鈦合金的工程化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)[8-9]。然而，該系列合金的變形抗力高，尤其是在高溫條件下，其塑性較差，使得該合金在高溫下熱加工比較困難[10]，難以采用傳統(tǒng)的熱加工方式（如鍛造）進(jìn)行加工，不易實(shí)現(xiàn)高復(fù)雜度構(gòu)件的成形，一定程度上限制了該合金的發(fā)展。

激光多層沉積（Laser Multilayer Deposition，LMD）技術(shù)是一項(xiàng)高性能金屬零件的數(shù)字化增材制造技術(shù)，以金屬粉末為原料、高能量密度的激光作為加熱熱源，通過逐點(diǎn)逐層熔覆沉積，能夠?qū)崿F(xiàn)高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬零件的自由立體成形、受損零件的激光修復(fù)以及梯度材料的高效制備[11-13]。該技術(shù)在降低鈦合金制品的成本、縮短研制周期、提高合金力學(xué)性能等方面展示出巨大的發(fā)展前景。此外，激光多層沉積技術(shù)所采用的同步送粉方式賦予了該技術(shù)實(shí)現(xiàn)成分柔性化設(shè)計(jì)的技術(shù)可能性，其核心是將構(gòu)成合金的各元素混合粉末送入運(yùn)動(dòng)的激光熔池內(nèi)完成合金化過程，進(jìn)而通過多層激光沉積，實(shí)現(xiàn)合金的整體均勻成形。因此，結(jié)合阻燃鈦合金的特性與激光多層沉積技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，激光多層沉積阻燃鈦合金有望為航空航天阻燃鈦合金的進(jìn)一步發(fā)展提供更多的可能。

Ti-V-Cr系鈦合金是國(guó)內(nèi)外研究和應(yīng)用最為廣泛的阻燃鈦合金，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)激光多層沉積Ti-V-Cr系阻燃鈦合金已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)研究。伯明翰大學(xué)的Wu等[14]以氣體霧化法制備的Ti-25V-15Cr- 2Al-0.2C合金粉末為原料，利用激光直接制造技術(shù)制備Ti-25V-15Cr-2Al-0.2C阻燃鈦合金，并分別研究了在空氣中和在氬氣氣氛中制備的合金的組織演變規(guī)律，同時(shí)探討了工藝參數(shù)（包括激光功率、送粉速率、掃描速度和軸抬升量等）對(duì)Ti-25V-15Cr-2Al-0.2C阻燃鈦合金顯微組織的影響。Wang等[15]以Ti-6Al-4V合金粉末和Ti-25V-15Cr-2Al-0.2C絲材為原料，采用激光直接制造技術(shù)制備了100%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Ti-6Al-4V逐步過渡到100%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Ti-25V-15Cr-2Al-0.2C阻燃鈦合金的無缺陷、組織致密功能梯度材料。結(jié)果顯示，當(dāng)Ti-25V-15Cr-2Al-0.2C阻燃鈦合金元素粉末送入含量為零時(shí)，沉積試樣的凝固組織呈現(xiàn)外延生長(zhǎng)粗大柱狀β晶粒；當(dāng)添加Ti-25V-15Cr-2Al-0.2C阻燃鈦合金元素粉末時(shí)，凝固組織由粗大的柱狀晶向等軸晶發(fā)生轉(zhuǎn)變，且等軸β晶粒的尺寸隨著阻燃鈦合金粉末添加量的增加而減小，表明激光直接沉積Ti-25V- 15Cr-2Al-0.2C阻燃鈦合金具有較大的凝固和成分過冷區(qū)間。zhang等[16]研究了激光立體成形工藝參數(shù)對(duì)單相β合金Ti-25V-15Cr阻燃鈦合金晶粒形貌的影響。結(jié)果顯示，通過調(diào)整激光工藝參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)Ti-25V- 15Cr阻燃鈦合金的晶粒形貌由粗大柱狀晶到類等軸晶的轉(zhuǎn)變。

作為單相β合金，Ti-V-Cr系阻燃鈦合金的晶粒形貌是影響其性能的關(guān)鍵。以上研究表明，通過調(diào)整激光多層沉積過程中的熱輸入可顯著改善阻燃鈦合金的晶粒形態(tài)。激光器作為激光多層沉積系統(tǒng)中的核心部件，是影響該過程熱輸入的主要因素。若采用不同波長(zhǎng)類型的激光器，由于材料對(duì)激光的吸收率不同，會(huì)顯著影響成形過程的熱輸入，從而影響合金的組織和性能[17-19]。基于此，本研究針對(duì)兩種典型波長(zhǎng)的激光器——1.06 μm（半導(dǎo)體激光器）、10.6 μm（CO2激光器），對(duì)激光多層沉積Ti-35V-15Cr阻燃鈦合金顯微組織及性能的影響展開研究，并探討其影響機(jī)理。研究工作將為激光多層沉積Ti-35V-15Cr合金的組織、性能調(diào)控奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)

1.1 材料

所用粉末原料為純Ti粉、純V粉和純Cr粉，粉末粒度分別為75～100、45～75、75～100 μm，氧含量分別為0.069%、0.090%、0.071%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。各元素粉末的化學(xué)成分均滿足GB/T 4164—08標(biāo)準(zhǔn)。粉末形貌如圖1所示，其中Ti粉為球形粉，V粉和Cr粉為非球形粉。試驗(yàn)前，將各元素粉末按照50%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Ti + 35%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）V + 15%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Cr的成分配比進(jìn)行混合，隨后置入真空干燥箱中烘烤8 h以去除粉末中的水分。試驗(yàn)所用基板為尺寸140 mm×50 mm×6 mm的Ti-6Al-4V板，試驗(yàn)前用砂紙將基板表面打磨平整，并用酒精清洗以去除表面油污。

1.2 試樣制備

本研究采用激光多層沉積系統(tǒng)（圖2）完成Ti-35V-15Cr沉積試樣的制備，激光器分別采用LaserLine 6000半導(dǎo)體激光器和CP4000 CO2連續(xù)激光器。沉積系統(tǒng)還包括四軸三聯(lián)動(dòng)數(shù)控工作臺(tái)、惰性氣氛加工室、高精度可調(diào)送粉器和同軸送粉噴嘴等。試驗(yàn)前，將預(yù)制好的元素混合粉末稱取150 g倒入送粉器中，按照表1的成形工藝參數(shù)完成Ti-35V-15Cr沉積試樣的制備。試驗(yàn)過程中，送粉器中的元素混合粉末由載粉氣流（氬氣）通過送粉噴嘴輸送至運(yùn)動(dòng)的激光熔池內(nèi)，粉末經(jīng)熔化、合金化、快速凝固形成沉積層。激光按照預(yù)設(shè)的掃描路徑采用多道多層往復(fù)掃描的方式逐層完成均質(zhì)試樣的制備過程。沉積試樣的尺寸為100 mm×15 mm×10 mm。由于鈦及鈦合金的化學(xué)特性極其活潑，因此，整個(gè)成形過程均在充滿氬氣的惰性氣體保護(hù)箱中進(jìn)行，成形氣氛中氧氣的含量低于0.005%。

圖1 元素粉末形貌圖

圖2 激光多層沉積過程及試樣切割示意圖

表1 激光多層沉積試驗(yàn)工藝參數(shù)

1.3 顯微組織表征

將兩組不同工藝參數(shù)制備的Ti-35V-15Cr均質(zhì)試樣統(tǒng)一切割為10 mm×3 mm×15 mm的試樣，利用熱鑲法將切割好的試樣鑲嵌，并采用400、600、800、1000、1500、2000目的砂紙逐步將試樣表面打磨平整，確保試樣表面無粗大劃痕。采用SiO2拋光液進(jìn)行機(jī)械拋光。將拋光后的試樣用Kroll試劑（1 ml HF+3 ml HNO3+20 ml H2O）腐蝕，完成金相試樣的制備過程。采用Olympus-PMG3光學(xué)顯微鏡（Optical Microscope，OM）和S-4800掃描電鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）觀察沉積態(tài)試樣的凝固組織，同時(shí)采用Image-Pro plus圖像處理軟件測(cè)量沉積態(tài)試樣的晶粒尺寸大小。用HWLW-300A YAG固體激光器對(duì)兩類激光器制備的沉積態(tài)試樣進(jìn)行激光點(diǎn)火試驗(yàn)，對(duì)其抗阻燃性能進(jìn)行初步評(píng)價(jià)。在Struers Duramin-A300顯微硬度儀上測(cè)量其顯微硬度。

2 結(jié)果及分析

2.1 顯微組織分析

2.1.1 半導(dǎo)體激光器制備Ti-35V-15Cr沉積態(tài)試樣的顯微組織

圖3顯示了采用波長(zhǎng)1.06 μm的半導(dǎo)體激光器制備的Ti-35V-15Cr沉積態(tài)試樣沿平行掃描方向的晶粒形貌。從圖3a中可以看出，采用半導(dǎo)體激光器制備的沉積態(tài)試樣的凝固組織呈現(xiàn)全等軸晶，且組織均勻致密，無明顯的裂紋、未熔粉等缺陷。采用Image-Pro plus圖像測(cè)量軟件統(tǒng)計(jì)沉積態(tài)試樣等軸晶的平均尺寸約為100 μm。圖3b—d分別顯示了沉積態(tài)試樣從頂部到底部的局部組織的光鏡放大圖，結(jié)果顯示，頂部區(qū)域（圖3b）、中部區(qū)域（圖3c）和底部區(qū)域（圖3d）的等軸晶粒形態(tài)基本一致，均為形狀較規(guī)則的多邊形，各區(qū)域的平均晶粒尺寸基本一致。

圖4a—b顯示了半導(dǎo)體激光器制備的Ti-35V-15Cr合金中部和最底部過渡區(qū)（沉積試樣與基體結(jié)合區(qū)域）的晶粒形貌，可以看出與中部Ti-35V-15Cr合金的成形區(qū)域相比（圖4a），沉積試樣與基體結(jié)合的過渡區(qū)域（圖4a）晶粒較為粗大，是介于等軸晶和柱狀晶之間的一種類等軸晶，其晶粒平均寬度為200 μm，長(zhǎng)度為526 μm，長(zhǎng)寬比為2.6。這是由于在基體表面沉積第一層時(shí)，基體（Ti-6Al-4V板材）部分發(fā)生熔化并進(jìn)入熔池，因而第一層沉積層的成分并未直接轉(zhuǎn)變?yōu)門i-35V-15Cr，而是先經(jīng)歷Ti-Al-V-Cr合金的成分過渡階段。筆者[20-21]前期針對(duì)Ti-6Al-4V表面激光熔覆Ti-25V-15Cr-0.2Si阻燃鈦合金的研究中發(fā)現(xiàn)，成分過渡區(qū)內(nèi)Al含量逐漸降低，V、Cr含量逐漸升高，通常需經(jīng)歷4～6層成分過渡后，完成阻燃鈦合金成形。由于過渡區(qū)成分在激光多層沉積的條件下具有較強(qiáng)的外延生長(zhǎng)特性，因而在基體界面附近傾向于形成長(zhǎng)寬比較大的類等軸晶。

圖3 半導(dǎo)體激光器制備的Ti-35V-15Cr沉積態(tài)試樣的顯微組織

圖5顯示了采用半導(dǎo)體激光器制備的Ti-35V-15Cr合金試樣在掃描電鏡下觀察的顯微組織，從中可以看出，Ti-35V-15Cr沉積態(tài)試樣部分等軸晶粒內(nèi)出現(xiàn)亞晶結(jié)構(gòu)（圖5a），亞晶界將晶粒分割成大量平均直徑為10 μm的小晶塊（圖5b）。

2.1.2 CO2激光器制備Ti-35V-15Cr沉積態(tài)試樣的顯微組織

圖6顯示了采用CO2激光器制備的Ti-35V-15Cr沉積態(tài)試樣沿平行掃描方向的晶粒形貌。從圖6a中可以看出，采用CO2激光器制備的Ti-35V-15Cr沉積態(tài)試樣整體呈現(xiàn)外延生長(zhǎng)的粗大柱狀晶特征，僅在試樣最頂部存在薄薄的一層等軸晶。圖6b—d為沉積態(tài)試樣從頂部到底部的局部組織的光鏡放大圖，結(jié)果顯示，沉積態(tài)試樣頂部區(qū)域（圖6b）由平均直徑為52 μm的細(xì)小等軸枝晶組成，但等軸枝晶所占比例很小。試樣中部（圖6c）和底部區(qū)域（圖6d）的凝固組織均呈現(xiàn)粗大的柱狀枝晶特征，柱狀晶的平均寬度由底部的120 μm逐漸增加至中部的200 μm。

圖4 利用半導(dǎo)體激光器多層沉積Ti-35V-15Cr合金試樣不同區(qū)域的晶粒形貌對(duì)比

圖5 半導(dǎo)體激光器成形Ti-35V-15Cr沉積態(tài)試樣的晶內(nèi)組織

圖6 CO2激光器制備的Ti-35V-15Cr沉積態(tài)試樣的顯微組織

圖7a—b顯示了沉積態(tài)試樣中部區(qū)域的“層帶”和底部過渡區(qū)的晶粒形貌。由圖7a可以看出，“層帶”的形成是由于各沉積層的熱影響區(qū)內(nèi)枝晶發(fā)生了明顯的粗化而導(dǎo)致的。分析原因在于：由于激光多層沉積過程要經(jīng)歷復(fù)雜的熱循環(huán)過程，在沉積下一層時(shí)，會(huì)對(duì)已經(jīng)形成的沉積層進(jìn)行重熔且形成熱影響區(qū)，熱影響區(qū)內(nèi)由于高溫引起枝晶間元素?cái)U(kuò)散，從而導(dǎo)致枝晶粗化，因而形成明顯的“層帶”現(xiàn)象（圖7a）。此外，由圖7b可觀察到，沉積試樣底部過渡區(qū)域同樣由外延生長(zhǎng)的粗大柱狀晶組成，但未形成明顯的枝晶偏析。與半導(dǎo)體激光器制備Ti-35V-15Cr合金一致，這是由于過渡區(qū)內(nèi)經(jīng)歷Ti-Al-V-Cr合金的成分過渡階段而導(dǎo)致的。

圖8顯示了CO2激光器制備的Ti-35V-15Cr沉積態(tài)試樣的晶內(nèi)組織，可以更清晰地觀察到沉積態(tài)試樣內(nèi)部呈現(xiàn)均勻分布的枝晶偏析組織（圖8a），局部枝晶間出現(xiàn)微裂紋（圖8b），相鄰枝晶間的距離為5～10 μm，且枝晶較為發(fā)達(dá)。胞、枝晶的形成均是由于激光作用下的冷卻速度極快，熔池固液界面前沿的溶質(zhì)原子來不及充分?jǐn)U散而在晶內(nèi)形成的亞結(jié)構(gòu)。對(duì)比兩種激光器制備的Ti-35V-15Cr合金，可以發(fā)現(xiàn)CO2激光器制備的阻燃鈦合金晶內(nèi)亞結(jié)構(gòu)更為發(fā)達(dá)，分析是由于兩種類型激光器制備Ti-35V-15Cr阻燃鈦合金的凝固條件存在較大差異所致。

圖7 CO2激光器制備的Ti-35V-15Cr沉積態(tài)試樣的局部晶粒形貌

圖8 CO2激光器制備的Ti-35V-15Cr沉積態(tài)試樣的晶內(nèi)組織

2.2 抗阻燃性初步評(píng)價(jià)

采用激光點(diǎn)火法對(duì)兩種激光器制備的Ti-35V- 15Cr沉積態(tài)試樣進(jìn)行點(diǎn)火測(cè)試，試樣表面形成的腐蝕坑如圖9所示?？梢钥闯觯瑑煞N激光器制備的Ti-35V-15Cr合金的腐蝕坑均為橢圓形，且腐蝕坑尺寸基本一致，平均直徑均為1.1 mm。不同之處在于，采用半導(dǎo)體激光器制備的試樣腐蝕坑較淺（圖9a），表面比較平整；而采用CO2激光器制備的試樣腐蝕坑較深，表面不平整且有大量的微裂紋產(chǎn)生。從腐蝕坑的表面形貌可以判斷，半導(dǎo)體激光器制備的Ti-35V- 15Cr試樣的抗阻燃性能略優(yōu)于CO2激光器制備的Ti-35V-15Cr試樣。分析原因在于：CO2激光器制備的Ti-35V-15Cr合金為較發(fā)達(dá)的枝晶組織，且局部枝晶間形成了少量微裂紋，提供了氧向內(nèi)部擴(kuò)散的通道，因而對(duì)合金的阻燃性能產(chǎn)生不利影響。這從側(cè)面反映了合金的組織形態(tài)對(duì)阻燃性能將產(chǎn)生較為顯著的影響，對(duì)于兩種組織形態(tài)下Ti-35V-15Cr阻燃鈦合金的定量阻燃性能對(duì)比研究，需要在更為準(zhǔn)確嚴(yán)格的阻燃性能測(cè)試條件下進(jìn)行分析。

2.3 顯微硬度對(duì)比

采用Struers Duramin-A300顯微硬度計(jì)對(duì)激光多層沉積Ti-35V-15Cr合金沉積態(tài)進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，測(cè)試參數(shù)為：加載載荷100 g，加載時(shí)間15 s。為避免底部過渡區(qū)域和最頂部區(qū)域?qū)τ捕葴y(cè)試結(jié)果的干擾，硬度測(cè)試過程中，以基體表面向上3 mm為0點(diǎn)位置（如圖10所示），進(jìn)行硬度測(cè)試，沿沉積方向每隔2 mm測(cè)試一個(gè)顯微硬度值，共測(cè)試5個(gè)位置（每個(gè)位置附近測(cè)3次，取平均值為該位置的平均硬度），測(cè)試結(jié)果如圖10所示。結(jié)果顯示，半導(dǎo)體激光器制備的Ti-35V-15Cr試樣的平均顯微硬度（375HV）略高于CO2激光器制備的試樣（363HV）。分析原因在于：一方面，半導(dǎo)體制備的Ti-35V-15Cr沉積試樣晶內(nèi)局部存在亞晶結(jié)構(gòu)，亞晶界會(huì)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)[22]，導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，對(duì)硬度有所貢獻(xiàn)；另一方面，CO2激光器制備的合金試樣晶內(nèi)為枝晶亞結(jié)構(gòu)，且局部產(chǎn)生了少量微裂紋（如圖8b所示），導(dǎo)致平均硬度降低。

2.4 顯微組織形成機(jī)理分析

對(duì)比兩種激光器制備的Ti-35V-15Cr阻燃鈦合金，可以發(fā)現(xiàn)相同工藝條件下獲得的合金晶粒形貌和晶內(nèi)亞結(jié)構(gòu)形態(tài)均有所不同，分析其主要原因在于兩類激光器的波長(zhǎng)不同，合金對(duì)激光的吸收率不同，因而引起凝固條件的顯著差異而導(dǎo)致的。根據(jù)合金對(duì)激光能量輸入的吸收率公式（1）[23]，可知合金對(duì)激光能量的吸收主要取決于激光器的波長(zhǎng)和合金的電阻率。本研究使用的半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)是1.06 μm，而CO2激光器的波長(zhǎng)為10.6 μm。此外，采用Jmat-pro軟件計(jì)算獲得不同溫度條件下Ti-35V-15Cr合金的電阻率如圖11a所示，將和代入公式(1)可計(jì)算獲得不同溫度條件下Ti-35V-15Cr合金對(duì)兩類激光器能量的吸收率。圖11b顯示了不同溫度條件下吸收率的計(jì)算結(jié)果，可以看出，Ti-35V-15Cr合金對(duì)半導(dǎo)體激光器能量的吸收率1遠(yuǎn)高于對(duì)CO2激光器能量的吸收率2。通過分析1與2的比值（圖11c），可以看出合金試樣對(duì)半導(dǎo)體激光器能量的吸收率約是對(duì)CO2激光器能量的吸收率的3倍。

圖9 激光點(diǎn)火法后腐蝕坑的表面形貌

圖10 Ti-35V-15Cr合金試樣的顯微硬度測(cè)試結(jié)果

式中：為合金電阻率；為激光器的波長(zhǎng)。

為進(jìn)一步分析不同類型激光器對(duì)激光熔池凝固條件、進(jìn)而對(duì)Ti-35V-15Cr合金試樣晶粒形貌的影響，本研究采用林鑫等[24]建立的多元合金凝固柱狀晶-等軸晶轉(zhuǎn)變（Columnar to equiaxed transition，CET）模型計(jì)算了激光多層沉積Ti-35V-15Cr鈦合金的柱狀

晶-等軸晶轉(zhuǎn)變曲線，如圖12所示，圖中陰影區(qū)域顯示的是激光多層沉積鈦合金常用的凝固條件（溫度梯度和凝固速度）范圍。從圖中可以看出，由于Ti-35V- 15Cr合金較高的V、Cr溶質(zhì)元素含量，導(dǎo)致更高的成分過冷區(qū)的形成，與典型兩相鈦合金[25]（如Ti-6Al- 4V）相比，Ti-35V-15Cr的CET曲線中，等軸晶區(qū)的形成區(qū)間明顯增大，即在激光多層沉積凝固條件范圍內(nèi)，更易于在熔池后延中上部形成更厚的等軸晶區(qū)。此外，根據(jù)Lia等[26-27]的研究，激光能量輸入越高，熱積累越嚴(yán)重，越容易形成更低的溫度梯度，有利于等軸晶粒的形成。利用前期建立的激光多層沉積過程熱傳導(dǎo)模型，采用Ansys有限元模擬軟件，獲得了激光多層沉積時(shí)處于穩(wěn)態(tài)區(qū)位置（距離基板表面7.5 mm的沉積層中部）的熱循環(huán)曲線（見圖13），具體模擬過程見文獻(xiàn)[28]。根據(jù)熱循環(huán)曲線，可計(jì)算獲得半導(dǎo)體激光器和CO2激光器制備試樣時(shí)，熔池尾部的溫度梯度分別為9.8×104K/m和3.2×105K/m。此外，熔池尾部的凝固速度可近似等于激光掃描速度 10 mm/s。結(jié)合圖12可以發(fā)現(xiàn)：在相同工藝條件下，采用半導(dǎo)體激光器成形時(shí)，由于其更高的熱輸入導(dǎo)致較低的溫度梯度，使得熔池后沿形成更厚的等軸晶層；相反，采用CO2激光器成形時(shí)，獲得的等軸晶層較薄。因此，在采用CO2激光器進(jìn)行激光多層沉積時(shí)，較薄的等軸晶層在下一層沉積時(shí)被完全重熔，因而繼續(xù)保持原始β晶粒外延生長(zhǎng)；而半導(dǎo)體激光器成形時(shí)，較厚的等軸晶層在隨后沉積過程中未被完全重熔，因而阻斷晶粒的外延生長(zhǎng)，形成全等軸的晶粒形貌。

此外，對(duì)比采用兩種激光器制備試樣的晶內(nèi)亞結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，采用半導(dǎo)體激光器成形的試樣內(nèi)部形成亞晶粒，而采用CO2激光器成形的試樣內(nèi)部形成典型的枝晶偏析。分析原因在于：激光多層沉積Ti-35V-15Cr時(shí)，由于激光成形的非平衡快速凝固特性導(dǎo)致熔池尾部固液界面前沿形成較大的成分過冷區(qū)，因而在沉積層內(nèi)形成胞狀晶或枝晶偏析，同時(shí)在沉積層內(nèi)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力；在隨后的往復(fù)熱循環(huán)過程中，當(dāng)采用半導(dǎo)體激光器成形時(shí)，由于熱輸入較高，多層沉積強(qiáng)烈，在熱和內(nèi)應(yīng)力的作用下引起元素?cái)U(kuò)散，枝晶偏析減弱甚至消失；同時(shí)將引起局部大量位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致局部不均勻的塑性變形而形成位錯(cuò)塞積，進(jìn)而形成位錯(cuò)胞，反復(fù)熱循環(huán)和應(yīng)力作用下，局部位錯(cuò)胞內(nèi)的位錯(cuò)重新分布和部分消失，并且位錯(cuò)壁平直化而轉(zhuǎn)變?yōu)閬喚ЫY(jié)構(gòu)。而當(dāng)采用CO2激光器成形時(shí)，由于熱輸入較低，熱循環(huán)過程中的熱積累效應(yīng)較小，不足以引起顯著的局部位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和元素?cái)U(kuò)散，因而保留了原始的枝晶偏析，僅在熱影響區(qū)內(nèi)由于局部的元素?cái)U(kuò)散和重熔而形成明顯的“層帶”現(xiàn)象[29]。綜上，Ti-35V-15Cr合金對(duì)兩種不同波長(zhǎng)的激光吸收率不同，從而引起熱輸入的顯著差異是導(dǎo)致顯微組織的晶粒和晶內(nèi)組織特征不同的原因所在。

圖11 Ti-35V-15Cr合金試樣的電阻率和對(duì)激光器的吸收率

圖12 激光多層沉積Ti-35V-15Cr的CET轉(zhuǎn)變曲線

圖13 不同激光器制備試樣時(shí)的熱循環(huán)曲線

3 結(jié)論

1）采用半導(dǎo)體激光器制備Ti-35V-15Cr阻燃鈦合金，由于激光吸收率較高，沉積過程中熔池后沿溫度梯度較低，因而形成均勻分布的全細(xì)小等軸晶組織，且由于較高的熱積累導(dǎo)致晶內(nèi)局部形成亞晶結(jié)構(gòu)。

2）采用CO2激光器制備的Ti-35V-15Cr阻燃鈦合金，由于激光吸收率較低，導(dǎo)致較高的熔池溫度梯度，因而凝固組織主要由外延生長(zhǎng)的粗大柱狀晶組成，晶內(nèi)組織呈現(xiàn)均勻分布的枝晶形態(tài)。

3）由半導(dǎo)體激光器制備的Ti-35V-15Cr試樣平均硬度及抗阻燃性能均略優(yōu)于CO2激光器制備的試樣。

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Influence of Laser Types on Microstructure and Performance of Laser Multilayer Deposition of Ti-35V-15Cr Alloy

1,1,2,3,1,1,1,1

(1. School of Materials Science and Engineering, Chang’an Univeristiy, Xi’an 710064, China; 2. Shaanxi Aerospace Power High-Tech Co. Ltd., Xi’an 710064, China; 3. State Key Laboratory of Solidification Processing, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)

The laser is the main component of the laser additive manufacturing system. The different absorption rates of the material when applying different types of lasers will have a significant impact on the microstructure and properties of the laser additive manufactured alloy. In this research, we investigated the microstructure, flame-retardant properties, and microhardness of Ti-35V-15Cr alloy deposited by laser multilayer deposition (LMD) technology under the conditions of two different types of lasers, semiconductor and CO2, and explored the mechanism of the influence of different types of lasers on the microstructure and properties of the alloy. The microstructure of Ti-35V-15Cr flame-retardant titanium alloy formed by the semiconductor laser with a wavelength of 1.06 μm and the CO2laser with a wavelength of 10.6 μm is significantly different. The average width of equiaxed grains is 100 μm, and the grain size and shape are basically the same, but in the transition area between the deposition layer and the substrate, there is an equiaxed-like transition microstructure with an average width of 200 μm, length of 526 μm, and aspect ratio of 2.6. The existence of this microstructure transformation is due to the variation of the content of the alloy elements Al, V, and Cr near the interface and the epitaxial growth characteristics of the grains. The formation of such subgrain structure is attributed to the local dislocation movement and alloy element diffusion caused by the large thermal accumulation and internal stress during laser forming, which not only inhibits the formation of segregation but also promotes the local dislocation movement and finally forms dislocation cells; whereas the microstructure of the alloy formed by the CO2laser is mainly columnar grains with an average size of 120-200 μm, and the top of the deposited specimen is a fine equiaxed grain layer with an average diameter of 52 μm. Compared with the former, the layer band morphology of the deposited specimens with CO2laser is more obvious and the top equiaxed layer is thinner, but unlike the former, the dendrite segregation inside the grains can be observed by scanning electron microscopy, and the distance between the dendrites is about 5-10 μm. The heat input and heat accumulation are therefore insufficient to cause significant local dislocation motion and diffusion of alloy elements, which leads to dendrite segregation. The effect of titanium alloy on the absorption rate of different types of lasers was studied by laser energy absorption rate equation and Jmat-pro software calculation, and it was found that the absorption rate of Ti-35V-15Cr titanium alloy to semiconductor laser energy is much higher than that of CO2laser energy, and the former is nearly three times of the latter, which proves that the laser absorption rate has a great influence on the formation of different microstructures. By means of a multivariate alloy solidification columnar/equiaxed transition model, it was found that the higher heat input and accumulation led to a lower temperature gradient at the solid-liquid interface front when the alloy was formed by a semiconductor laser, making it easier to form equiaxed grains. The microhardness of the alloys formed by the two lasers was tested, and the average hardness of the alloy formed by the semiconductor laser was 375HV and that of the alloy formed by the CO2laser was 363HV, the former being slightly higher than that of the latter. Then, the flame-retardant properties of the alloys formed by semiconductor and CO2laser were evaluated by laser ignition method, which was found that the flame retardancy of Ti-35V-15Cr flame retardant titanium alloy formed by a semiconductor laser was slightly better than that of the alloy ford by a CO2laser in both cases.

laser multilayer deposition; Ti-35V-15Cr; process equipment; microstructure; flame-retardant properties; dendritic segregation

V261.8

A

1001-3660(2023)01-0354-10

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.01.036

2021–12–17；

2022–04–13

2021-12-17；

2022-04-13

空軍工程大學(xué)等離子體動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室科學(xué)技術(shù)基金（N0614220206021804）；陜西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2023-YBGY-359）；西安市科技計(jì)劃（21ZCZZHXJS-QCY6-0001、21CXLHTJSGG-QCY8-0003）；中國(guó)中東歐高校聯(lián)合教育項(xiàng)目（2021108）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目（300102312407、X202210710372）

The fund of the Science and Technology on Plasma Dynamics Laboratory (Air Force Engineering University) (N0614220206021804); Key Research and Development Plan of Shaanxi Province (2023-YBGY-359); Science and Technology Plan of Xi'an City (21ZCZZHXJS- QCY6-0001, 21CXLHTJSGG-QCY8-0003); China CEEC University Joint Education Project (2021108); the Central University of Basic Scientific Research (300102312407, X202210710372)

楊森（1997—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榧す饬Ⅲw成形鈦合金。

YANG Sen (1997-), Male, Postgraduate, Research focus: laser solid forming titanium alloy.

張鳳英（1980—），女，博士，教授，主要研究方向?yàn)榧す饬Ⅲw成形鈦合金。

ZHANG Feng-ying (1980-), Female, Doctor, Professor, Research focus: laser solid forming titanium alloy.

楊森，黃開虎，李靜，等. 不同類型激光器對(duì)激光多層沉積Ti-35V-15Cr合金顯微組織及性能的影響[J]. 表面技術(shù), 2023, 52(1): 354-363.

YANG Sen, HUANG Kai-hu, LI Jing, et al. Influence of Laser Types on Microstructure and Performance of Laser Multilayer Deposition of Ti-35V-15Cr Alloy[J]. Surface Technology, 2023, 52(1): 354-363.

責(zé)任編輯：萬(wàn)長(zhǎng)清