氬弧焊修復對激光增材制造TC18鈦合金力學性能影響研究

王志剛，朱小軍，劉棟

1.航空工業第一飛機設計研究院，陜西 西安 710089

2.北京航空航天大學，北京 100191

TC18 鈦合金是一種α+β 雙相、高強高韌可焊型鈦合金，退火后的強度在1080MPa以上，是目前退火狀態下強度最高的鈦合金[1]，將此合金用于飛機的大型主承力結構來代替高強鋼，可使飛機減重15%～20%。因此，蘇-27 飛機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軌和其他大型承力構件[2]。

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

在激光增材制造構件工程制造和使用過程中，可能遇到由變形、機械加工掉刀等造成的零件毛坯局部缺量或者產品使用過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方法可實現零件的修復或再制造，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行焊接[4]。目前，對于傳統成形鈦合金的焊接特性研究已較為成熟，如國內航空工業領域首次在某新型艦載機起落架研制中采用了TC18 鈦合金焊接技術，通過試驗研究某型機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鈦合金焊接應用技術[5]；電弧增材再制造技術是根據離散堆積原理，利用電弧作為載能束，使金屬絲材加熱熔化，在由缺損數據模型生成的路徑規劃程序驅動下，點—線—面—體累加成形，使缺損零件恢復尺寸形貌和性能的先進制造技術[6]。英國克蘭菲爾德大學通過對不同4043 鋁合金焊絲電弧增材成形性的對比研究，發現焊絲內、外部質量對成形性能有重要影響[7]，法國學者Branza 等[8]采用電弧熔敷方法對耐熱鑄鋼軸類零件進行多道焊修復，并研究了其修補后的組織特點。現在國內外在多絲熔覆成形工藝研究領域都以雙絲電弧熔覆成形技術為基礎，發展迅猛。如華中科技大學增材制造團隊用多絲電弧增材方法制造出大型多向建筑結構接頭與高強鋼大型筒體構件，達到較高的研究水平[9]，而激光快速成形鈦合金零件焊接及修復性能的相關研究還相對較少[10]，國內如侯慧鵬等[11]研究了氬弧焊修復激光成形TC11鈦合金的組織及高周疲勞性能。

根據激光增材制造構件成形階段的不同，對構件的修復可分為熱處理前修復和熱處理后修復。熱處理之后的修復，由于修復區不再進行熱處理，因此修復區與基材材料熱處理狀態不同，加之修復帶來的熱影響和熱應力，均可能導致其力學性能發生變化，理論上修復量受到限制，只能進行適量修復。熱處理前修復則可保證修復區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程中的零件修復。

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

1 試驗材料與方法

本文主要研究30%和50%修復量對激光增材制造TC18鈦合金主要力學性能的影響。其中，修復量指修復后采取的力學性能試件的工作部分截面修復區面積Ar和基材面積At之占比，如圖1 所示。力學性能測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力退火態，待修復區表面按照激光成形基材工藝處理。修復前后試驗件如圖2所示。

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

圖2 激光增材制造TC18鈦合金氬弧焊修復前后實物照片Fig.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。室溫斷裂韌度按照國標GB/T 4161進行，試樣分為兩組，取樣示意圖如圖4所示，一組預制裂紋在修復區（A組），另一組預制裂紋在修復區與基材的過渡區（B組），如圖5所示，以考察修復不同區域的抵抗裂紋擴展的阻力。采用未經修復的激光增材制造TC18鈦合金基材的試驗件作為力學性能對比試驗件。

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 室溫斷裂韌度試樣取樣示意圖（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 試驗結果與分析

2.1 宏、微觀組織

激光成形TC18 鈦合金氬弧焊修復區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：（1）對比修復量為30%和50%，二者修復區深度與設計深度符合較好。二者組織特征并無明顯差別，主要差別為修復區深度不同。（2）修復區組織中β晶粒較粗大、晶界α明顯，并且修復區晶粒為垂直于基材沉積方向生長的較粗柱狀晶，較激光成形TC18 鈦合金基材晶粒明顯粗大。修復區向基材組織過渡的宏觀組織照片如圖6所示，修復區β晶粒較粗大，接近熔合區的下方為晶粒較細的熱影響過渡區，最終過渡到晶粒尺寸較均勻的基材區；顯微組織如圖7所示，除過渡區α形狀和尺寸不同以外，修復區與基材差別并不明顯，其中修復區α相為短棒狀，而基材和過渡區α 相為松針狀、長寬比更高。激光成形TC18鈦合金氬弧焊修復光學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鈦合金氬弧焊修復區截面宏觀30%修復量組織照片Fig.6 Macro tissue image of laser-formed TC18 Titanium alloy test piece by TIG welding 30%repaired

圖7 激光成形TC18鈦合金氬弧焊修復區截面宏觀50%修復量組織照片Fig.7 Macro tissue image of laser-formed TC18 Titanium alloy test piece by TIG welding 50%repaired

圖8 激光成形TC18鈦合金氬弧焊修復光學顯微鏡照片(修復量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鈦合金氬弧焊修復掃描電鏡組織照片(修復量為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 鈦合金氬弧焊修復件與鍛件對比件室溫拉伸性能測試均值結果見表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30%和50%時，室溫抗拉強度幾乎無變化（平均值差值不足10MPa），屈服強度略有提高（20～30MPa）；塑性指標降低明顯，斷后延伸率和斷面收縮率分別降低47%～54%和36%～42%。（2）修復量從30%加大至50%時，室溫拉伸強度無明顯差別，修復區較基材塑性低，從而導致修復后塑性下降，隨著修復量增大，塑性也呈現一定程度的下降。

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

激光增材制造TC18 鈦合金氬弧焊修復件室溫拉伸試驗件斷口如圖10所示。拉伸斷口中修復區斷面平整、無明顯剪切唇，而基材區纖維區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，其斷口呈現低塑性特征。結合拉伸試驗測試結果表明：修復區較基材塑性低，從而導致修復后塑性下降，隨著修復量增大，塑性也呈現一定程度的下降。

圖10 激光增材制造TC18鈦合金氬弧焊修復件室溫拉伸試驗件斷口(修復量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 鈦合金氬弧焊修復件及基材參比件室溫沖擊韌性對比測試結果見表2，可知：（1）與基材相比，激光成形TC18 鈦合金手工氬弧焊修復30%和50%時，修復試樣室溫沖擊韌性無明顯降低，其中50%修復后數據較分散，但平均值幾乎無變化。（2）修復量從30%加大至50%時，室溫沖擊韌性略降，平均值降低約7%。

表2 手工氬弧焊修復量對激光成形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 鈦合金氬弧焊修復件室溫沖擊試驗件斷口如圖11 所示，沖擊斷口中修復區呈現沿柱晶解理特征，而基材區斷面起伏較大，呈現韌性特征，與基材相比，修復區表現出低塑性特征。

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

結合拉伸和沖擊試驗測試結果及斷口特種可以推斷：修復區較基材塑性低；由于沖擊韌性還與強度相關，因此室溫沖擊韌性測試結果并未出現明顯下降。

2.4 室溫斷裂韌性

激光增材制造TC18 鈦合金氬弧焊修復件及基材室溫斷裂韌性對比測試結果見表3，可知：（1）裂紋預制在修復區（A組）和過渡區（B組）的斷裂韌性平均值相當；（2）修復件的室溫斷裂韌度KIC平均值與基材相當。從數據的分布范圍來看，修復件KIC數據分布范圍略寬于基材。

表3 TC18鈦合金氬弧焊修復室溫斷裂韌性性能測試結果對比表Table 3 Comparison of test results of room temperature fracture toughness of TC18 Titanium alloy by TIG welding

圖12為氬弧焊修復激光增材制造TC18鈦合金室溫斷裂韌度試樣宏觀斷口照片。從修復件的斷口宏觀照片可見修復區內解理面呈柱狀特征，而基材區和對比測試的基材試樣無明顯柱狀解理特征。由此可見，晶粒尺寸和特征對斷口的形貌有明顯的影響。

圖12 手工氬弧焊修復激光增材制造TC18鈦合金室溫斷裂韌度試樣宏觀斷口Fig.12 Repairing the macro fracture of TC18 Titanium alloy by TIG welding at room temperature

從組織對斷裂韌性的影響角度考慮，一般認為較粗大組織具有較高的斷裂韌度。修復區和過渡區與基材組織的主要差別在于：修復區晶粒粗大且呈柱狀，過渡區宏觀和顯微組織均為修復區向基材的過渡。因此，從宏觀晶粒尺度角度判斷，修復對斷裂韌度無不良影響。同時，修復區、過渡區和基材差別并不顯著。綜合考慮，修復件斷裂韌度并未明顯降低是可以預見的。

3 結論

通過對激光增材制造TC18 鈦合金熱處理前的手工氬弧焊修復件力學性能試驗研究和結果進行分析，可以得到如下結論：

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

（2）裂紋預制在修復區和過渡區的斷裂韌性平均值相當，修復件的室溫斷裂韌度KIC平均值與基材相當。修復件KIC數據分布范圍略寬于基材。

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

（4）氬弧焊修復對激光增材制造結構件的強度、斷裂韌性影響較小，但修復后塑性降低，該修復工藝可在小修復量、低應力水平下使用。