高溫工況用激光選區(qū)熔化TC4鈦合金組織和力學(xué)性能研究

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）

0 引言

TC4屬于(α+β)型鈦合金，具有良好的綜合力學(xué)性能。尤其在高溫條件下能夠保持較好的強(qiáng)度和較低的熱導(dǎo)率以及耐化學(xué)腐蝕性能[1]。TC4鈦合金被廣泛應(yīng)用于航空航天、化工、船舶等領(lǐng)域[2]，用于制造耐高溫結(jié)構(gòu)件，如耐高溫承力結(jié)構(gòu)、高溫反應(yīng)器殼體、燃料儲(chǔ)存容器、高溫流體管路以及各類腐蝕性反應(yīng)容器和管路等。

近年來，隨著工程設(shè)計(jì)的不斷完善，具有輕量化特點(diǎn)的各類高溫承力TC4鈦合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法被逐步采用，而傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)加工方法不能滿足這些輕量化結(jié)構(gòu)的制造要求。激光選區(qū)熔化技術(shù)（Selective Laser Melting，SLM）作為增材制造技術(shù)中重要的一類制造方法，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的快速成型，是解決現(xiàn)有加工難題的主要途徑[3]。

增材工藝狀態(tài)下的鈦合金組織特征和缺陷特征直接影響其力學(xué)性能，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)的力學(xué)指標(biāo)。因此研究TC4鈦合金激光選區(qū)熔化條件下的組織特征及對(duì)力學(xué)性能的影響規(guī)律具有工程應(yīng)用價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)

試件成形過程在華曙高科FS271M 激光3D 打印設(shè)備上進(jìn)行，以打磨擦洗后的TC4 鈦合金板為沉積基板，制備時(shí)采用氬氣作為保護(hù)氣體，采用的打印成型工藝參數(shù)為：激光功率225W，掃描速度1000mm/s，層厚30μm。

本文中采用的成型粉末為鈦合金球形粉末TC4，粉末粒度為15～53μm，化學(xué)成分如表1所示。

表1 TC4的化學(xué)成分表

為了研究沉積態(tài)TC4 合金的顯微組織，用VHX-600E 的光學(xué)顯微鏡進(jìn)行金相組織觀察。本文從試樣尺寸為10×10×10mm的小方塊中切割出一小部分試樣，再用XQ-1 金相鑲嵌機(jī)將其鑲成直徑為30mm、高為12mm 左右的圓柱，再用金相砂紙磨至鏡面，然后再對(duì)金相試樣進(jìn)行腐蝕，腐蝕液為凱勒試劑，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;

通過線切割機(jī)將試樣切割成合適的尺寸，用砂紙將試樣打磨光滑，再用BrukerD8型X射線衍射分析儀測試TC4成形試樣的物相組成。

拉伸試樣按照GB/T228.1-2010標(biāo)準(zhǔn)制備，其尺寸如圖1所示，試棒制備3個(gè)。拉伸實(shí)驗(yàn)在CMT5105微機(jī)控制電子萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，加載速度為2.5mm/min，實(shí)驗(yàn)結(jié)束條件為試棒斷裂。實(shí)驗(yàn)過程中采集試棒拉伸時(shí)的橫梁拉力，用引伸計(jì)測量試件對(duì)應(yīng)的變形量，并在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后測量試棒的斷后伸長率及斷面收縮率。

圖1 拉伸試棒示意圖

2 結(jié)果和討論

2.1 沉積態(tài)TC4的物相分析

如圖2所示為沉積態(tài)SLM成型TC4合金試樣的XRD圖譜。相對(duì)于α鈦和β鈦標(biāo)準(zhǔn)卡片，1#、2#、3#試樣均含有α鈦和β鈦，其中α相為密排六方結(jié)構(gòu)，β相為體心立方結(jié)構(gòu)，基材衍射峰由β-Ti相和α-Ti相組成，左側(cè)第一個(gè)衍射峰為β相，其余衍射峰為α相，但是α相的最強(qiáng)峰相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)卡片有向右偏移，這說明沉積態(tài)TC4 合金中存在馬氏體結(jié)構(gòu)。由衍射峰強(qiáng)度判斷，TC4鈦合金中α相含量較多，β相含量較少，同一成型參數(shù)下的不同試件的β相峰值強(qiáng)度略有不同。

圖2 沉積態(tài)SLM成型TC4合金試樣的XRD圖譜

2.2 沉積態(tài)鈦合金的顯微組織

圖3 是不同放大倍數(shù)下沉積態(tài)TC4 合金的顯微組織，金相組織中的亮色組織為α 相，暗色組織為β 相。由圖3 可以看出沉積態(tài)TC4 鈦合金中除了α 相和β 相外，還存在馬氏體。這是因?yàn)椋赟LM 成形時(shí)，TC4 鈦合金在快速冷卻過程中通過非擴(kuò)散切變形成馬氏體相[4]。

圖3 左為100倍鏡下的TC4金相組織；右為500倍鏡下的TC4金相組織

2.3 SLM成型TC4合金試件的拉伸性能

按照GB/T228.1-2010標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試棒進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果取3 次實(shí)驗(yàn)的平均值。沉積態(tài)TC4 合金的拉伸性能如表2 所示，其抗拉強(qiáng)度為1197MPa，斷后伸長率8%。相比于TC4鈦合金鑄件標(biāo)準(zhǔn)（抗拉強(qiáng)度910MPa，斷后伸長率10%），激光選區(qū)熔化成型TC4 鈦合金的抗拉強(qiáng)度明顯提升，但是塑性略有下降，這可能是因?yàn)樵诩す膺x取熔化過程中，TC4鈦合金經(jīng)歷一個(gè)急冷急熱的過程，在此過程中，組織中的各相含量發(fā)生了明顯變化。

表2 SLM成型TC4合金的拉伸性能

3 結(jié)論

本文對(duì)激光選區(qū)熔化制備的TC4 鈦合金的顯微組織和力學(xué)性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：TC4 鈦合金為α+β 兩相合金，成形件原始α+β 晶內(nèi)的微觀組織主要由具有一定取向的針狀馬氏體組成，這可能是因?yàn)椋赟LM成形時(shí)，TC4鈦合金在快速冷卻過程中通過非擴(kuò)散切變形成了馬氏體相；SLM沉積TC4合金的抗拉強(qiáng)度為1197MPa，斷后伸長率為8%，相比于TC4鑄件標(biāo)準(zhǔn)（抗拉強(qiáng)度910MPa、斷后伸長率10%），強(qiáng)度明顯提升，塑性略有降低，這可能與TC4鈦合金在加工過程中經(jīng)歷的急冷急熱導(dǎo)致的組織變化有關(guān)。