熱處理對激光選區熔化鈦合金組織和力學性能影響

李慶棠，陳秀思，王方彬

（北京航天新風機械設備有限責任公司，北京 100854）

Ti-6Al-4V鈦合金因具備密度小、比強度高等優勢，被普遍用在船舶海洋汽車生產等行業當中。

激光選區熔化技術（Slective laser melting，SLM）是增材制造技術中的一種，該制備工藝能夠避免傳統加工方法存在的缺陷，是近幾十年迅速發展的一種快速原型制造技術。

鈦合金通常不能通過各種熱機械處理來改變或控制顯微組織，熱處理幾乎是改善鈦合金顯微組織、提高力學性能的唯一途徑[1]。鈦合金的性能與它的微觀組織形貌有著密不可分的聯系。而微觀組織取決于熱處理工藝，因此研究鈦合金熱處理工藝對組織和性能的影響具有重要意義[2]。

1 實驗

為了探究不同熱處理工藝，對SLM成形TC4合金試樣的顯微組織力學性能的影響，將試樣在不同熱處理工藝下進行退火處理（如表1所示），然后對試樣進行顯微組織觀測，并用萬能實驗機進行力學性能檢測[3]。圖1為拉伸試棒示意圖。本實驗用VHX-600E的光學顯微鏡進行金相組織觀察，其中腐蝕劑的配比為：硝酸：氫氟酸：水為3：1：16，腐蝕時間為50S；利用BrukerD8型X射線衍射分析儀測試TC4成形試樣熱處理后試樣的相組成；利用CMT5105微機控制電子萬能實驗機對熱處理前后的試棒進行室溫拉伸試驗。

圖1 拉伸試棒示意圖

表1 熱處理工藝實驗參數

2 結果和討論

2.1 熱處理制度對物相分布的影響

由圖2可知，當退火溫度在850℃以下時，β相含量沒有明顯變化，當退火溫度為1050℃時，α相含量升高，這可能是馬氏體在該溫度下分解成α相和β相。當退火溫度650℃、保溫時間不同時，可以看出β相的含量隨著保溫時間的不同沒有明顯變化；退火溫度在850℃時，顯微組織也呈現出相似的變化。這可能是因為650℃和850℃的退火溫度都在β相變點溫度以下，相含量對保溫時間不敏感。

圖2 XRD測得的不同熱處理制度下各相含量

2.2 熱處理制度對顯微組織的影響

圖3為不同熱處理下SLM成形TC4試樣的顯微組織。與直接沉積態相比，退火后晶界仍保持有較好的連續性，但晶界處α集束的數量減少。隨退火溫度升高，條狀α相的數量先增加后減少再增加，但是可以看出退火溫度在850℃以下時，α相的變化較小。當退火時間為3h，退火溫度自450℃升高到650℃時，條狀α相的寬度基本不變，但數量略有增加；退火溫度850℃時條狀α相的數量寬度變化較小，數量略有減小，這可能是因為該溫度接近β相轉變溫度，在該溫度下析出了少量β相，析出的β相在一定程度上會阻礙α相的生長；退火溫度1050℃時可清楚觀察到原始的 β晶界，板條狀α相的數量明顯增加，這可能是因為該退火溫度下，加熱使馬氏體組織發生分解，分解成α相和β相。在650℃下，隨著保溫時間的增加，條狀α相的寬度逐漸增加，但是保溫時間在2h、4h、6h時，其顯微組織種條狀α相的寬度逐漸變寬；從保溫時間從6h增加到8h，其顯微組織中條狀α相寬度變寬且發生積聚，形成等軸α相。退火溫度在850℃時，顯微組織也呈現出相似的變化。這可能是因為650℃和850℃的退火溫度都在β相變點溫度以下，保溫時間對溫度不敏感，對試樣微觀組織形貌影響較小。

圖3 不同熱處理制度下SLM成形TC4鈦合金試樣顯微組織

2.3 熱處理工藝對SLM成形TC4合金試樣拉伸性能的影響

由表2可知，隨著退火溫度的升高，試棒的抗拉強度逐漸降低，這主要是因為隨著退火溫度的升高，β相增多，α相減少，使組織的平衡與穩定性遭到破壞，從而降低了試樣的力學性能；試棒的斷后伸長率隨著退火溫度的升高呈現先上升后下降的趨勢，這主要是因為溫度的升高使試樣組織細化，提高了其斷后伸長率，而在1050℃出現的斷后伸長率的下降，可能是因為該溫度較高，造成晶粒粗化，從而使得試棒的斷后伸長率降低。

表2 不同熱處理制度下的試棒的拉伸試驗結果

從表2中可知，1號試棒的名義抗拉強度1269MPa最高，但是其斷后伸長率只有6%，2號試棒的名義抗拉強度1129MPa，比1號略低，但是其斷后伸長率為11%。所以綜合來看，2號試棒的力學性能最好。

3 結論

本文對不同熱處理制度下的激光選區熔化成形TC4的微觀組織、物相組成和力學性能進行了研究。結果表明：當退火溫度低于850℃時，試件中β相的含量沒有明顯變化，當退火溫度高于850℃時，β相含量減少，這可能是因為在該溫度下試件中馬氏體相分解出的α相阻礙了β相的生長；當保溫時間不同時，可以看出β相的含量隨著保溫時間的不同沒有明顯變化，這可能是因為該退火溫度沒有達到β相變溫度，沒有β相析出，結果表明，在650℃、保溫3h、溫升速率10℃/min的熱處理工藝下，試棒的名義抗拉強度是1129MPa，斷后伸長率11%，力學性能最好。