TC4鈦合金電子束沉積修復工藝研究

（南昌航空大學 輕合金加工科學與技術國防重點學科實驗室，南昌 330063）

鈦合金TC4屬于α+β兩相鈦合金，由于其具有可焊接性好、機械加工性能良好、比強度和比剛度高、耐腐蝕性好等諸多優點[1—2]，所以這類合金在航空航天、海洋等領域應用十分廣泛。鈦合金 TC4零件，在一些惡劣的工作環境中服役一段時間后，極易出現表面腐蝕和劃擦、蝕坑、磨損以及表面裂紋甚至斷裂等缺陷。這些缺陷的出現，會改變 TC4零件的穩定性，導致其安全性變差[3—4]。同時，由于TC4合金材料具有較高的成本，在航空發動機的制造過程中極易出現劃痕和擦傷，如果重新加工或者更換這些有缺陷的零件，會使其成本大大提高[5]，因此，就需要一種先進的修復技術來實現鈦合金零件高質量高效率的修復，并且能夠從力學性能、幾何性能等方面快速有效地恢復其使用性能，從而實現零件壽命的延長，降低生產成本。

目前，運用傳統的修復技術修復鈦合金[6]熱輸入量較大，會導致零件的熱影響區變大，產生較大的殘余應力和應變，使修復試樣的性能得不到滿足。隨著電子束沉積技術不斷發展，以及各項技術應用的成熟[7—8]，該項技術逐漸被應用于鈦合金零件的成形[9—10]。該技術可以實現對三維立體零件的快速成形，大大提高了材料的使用率，進而降低了產品的生產成本[11—12]，同時，在此基礎上發展而成的電子束沉積修復技術（EBF），可以對一些具有復雜形狀的特殊零件，或是存在加工誤差的零件實現修復。這在很大程度上節省了成本，提高了零件的壽命，這對加工制造業有很大的幫助[13—14]，而目前國內外主要集中于鈦合金電子束增材制造的研究，對于鈦合金電子束沉積修復卻未見相關報道。

文中針對 TC4鈦合金零件的服役損傷修復需求，重點以典型溝槽類的損傷類型為研究對象，開展鈦合金的電子束熔絲成形修復工藝研究，主要研究內容為開展不同工藝參數的成形修復試驗，對修復試樣宏觀形貌進行分析，獲得工藝參數對沉積修復試驗的影響規律，為電子束沉積修復試驗組織性能分析提供研究基礎。

1 方法

選用母材材料為TC4（退火態，尺寸為30 mm×20 mm×10 mm），填充材料為0.8 mm的TC4絲材，試驗設備為KS1-PN150KM真空電子束焊機，該設備由電子槍系統、真空系統、電源系統、三維工作臺、行進系統以及綜合控制系統組成。修復試樣為 V形槽試樣。試驗是在定電壓60 kV條件下，研究TC4鈦合金電子束成形修復工藝參數（電子束流、送絲速度、成形速度）對修復試樣的表面宏觀成形及橫截面形貌的影響。通過控制變量法，在其他工藝參數不變的情況下，改變其中一種工藝參數進行試驗研究分析，歸納出電子束修復工藝參數對鈦合金修復試樣的影響規律。工藝參數見表1。

表1 TC4電子束沉積修復單道試驗參數Tab.1 Parameters for single pass test of TC4 electron beam deposition repair

試驗完成后，對所需的修復試樣沿沉積方向進行合理切割，然后對試樣進行鑲嵌、拋光、腐蝕，腐蝕液的體積配比為HF∶HNO3∶H2O=1∶2∶7，腐蝕時間為10 s，觀察其宏觀形貌，分析TC4鈦合金成形修復工藝參數對修復試樣的影響規律。

2 結果分析

2.1 電子束流

在送絲速度為20 mm/s，成形速度為240 mm/min不變的情況下，分別選取電子束流為16,18,20 mA，來研究電子束流對修復成形的影響。3組試樣的宏觀形貌見圖1。通過對比上述宏觀形貌發現，在其他工藝參數一定時，在電子束流為18 mA和20 mA時，修復試樣的外觀成形較好，而電子束流為16 mA時，外觀成形存在孔洞和外觀成形不良，同時在電子束修復過程中發現，使用電子束流為 16 mA時，修復試樣每層都熔合不良。初步分析是由于電子束流太小，對修復區的熱輸入不夠，只能使絲材部分熔化，并未與母材產生良好的冶金結合，進而造成修復試樣表面熔合不良缺陷的產生。

通過不同電子束流的橫截面宏觀形貌見圖2，可以看出，在其他工藝參數一定時，當電子束流為 16 mA和18 mA時，修復區內部均出現了較大的孔洞，而且隨著電子束流的增加，孔洞尺寸逐漸減小。電子束流為20 mA時，熱影響區相對較大，修復區成形良好，宏觀形貌未見明顯的氣孔或孔洞缺陷；對于16 mA和18 mA時，宏觀形貌中出現的“V”型孔洞，初步分析產生這種缺陷的原因是在其他工藝參數不變的情況下，由于熱輸入量的不同，導致絲材熔化的流動效果不同，熱輸入較小時，會造成內部基材與母材熔合不良，進而造成“V”型缺陷。隨著熱輸入的增大，這種缺陷得到改善，當電子束流為20 mA時，并未出現“V”型缺陷。

2.2 送絲速度

送絲速度主要研究對電子束沉積表面形貌的影響。在采用電子束流為 20 mA、成形速度為 240 mm/min的前提下，分別采用15,20,25 mm/s的送絲速度進行試驗，修復后的宏觀形貌見圖3。當送絲速度為20 mm/s時，成形樣表面的魚鱗紋較少，外觀成形良好，成形表面連續光滑平整。送絲速度主要是在修復過程中，通過與電子束流、成形速度等因素的配合來影響修復質量，在同樣的成形速度和熱輸入的前提下，當送絲速度為25 mm/s時，單位時間內絲材熔化面積較少，修復成形的試樣表面都會產生明顯的粗糙，產生魚鱗紋，成形表面不平整，送絲速度為 15 mm/s時，絲材未能及時熔化與母材結合，使成形表面粗糙不平整，送絲速度過大或過小，都會使修復區產生內部缺陷，對微觀組織產生影響，進而影響修復后的性能。

圖1 不同電子束流修復試樣表面宏觀形貌Fig.1 Surface macroscopic morphology of repair specimen at different electron beam current

圖2 不同電子束流下修復試樣的橫截面形貌Fig.2 Cross-sectional morphology of repair specimens at different electron beam current

圖3 不同送絲速度下修復試樣的表面宏觀形貌Fig.3 Surface macroscopic morphology of the repair specimen at different wire feed speeds

2.3 成形速度

成形速度是指電子束沉積修復時，工件相對于電子束光斑的運動速度，成形速度主要是對修復成形的熱輸入量會產生一定的影響。線能量公式見式(1)[15]。

由式(1)可知，成形速度和電子束流對線能量的影響是相對的。文中是在電子束流為20 mA、送絲速度20 mm/s的條件下，成形速度分別采用180,240,300 mm/min時來研究成形速度對修復成形的影響，3組試驗的宏觀形貌見圖4。根據宏觀形貌可知，在其他工藝參數一定時，當成形速度為240 mm/min和300 mm/min時，修復的試樣外觀成形較為光滑平整，而成形速度為180 mm/min時，修復樣表面有密集的魚鱗紋存在，外觀成形不良。

不同成形速度下修復試樣的橫截面宏觀形貌見圖5，根據3種不同成形速度修復試樣的橫截面宏觀形貌來看，在一定成形速度的范圍內，在同樣的修復層數下，隨著成形速度的增加，熱影響區減小，修復區的余高逐漸變小。過大的成形速度會使修復界面存在氣孔缺陷，因此，在其他工藝參數不變的前提下，選用成形速度為240 mm/min較為合適。

圖4 不同成形速度下修復試樣的宏觀形貌Fig.4 Surface macroscopic morphology of the repair specimen at different forming speeds

圖5 不同成形速度下修復試樣的橫截面形貌Fig.5 Cross-sectional morphology of repair specimens at different forming speeds

3 結論

主要對鈦合金TC4電子束沉積修復的電子束流、送絲速度和成形速度3種工藝參數進行了研究，通過分析獲得如下結論。

1）在一定范圍內，電子束流較小時，熱輸入較小，母材與修復區熔合不良，產生“V”型孔洞缺陷，電子束流較大時，熱影響區較大，修復區成形良好，未見明顯的氣孔或孔洞缺陷。

2）在一定范圍內，送絲速度過快或過慢時，修復成形的試樣表面都會產生明顯的魚鱗紋，成形表面粗糙，不平整。合適的送絲速度會使修復試樣表面的魚鱗紋減少，連續光滑且平整。

3）成形速度和電子束流對線能量的影響是相對的。在一定范圍內，成形速度的過慢時，在同樣的修復層數下，修復樣表面有密集的魚鱗紋存在，外觀成形不良。隨著成形速度的增加，熱影響區減小，修復區的余高逐漸變小，但過大的成形速度會使修復試樣存在氣孔缺陷。