選區激光熔化成型TC4鈦合金的拉伸性能

許 良， 張浩明， 周 松,2*， 安金嵐,2， 賈耀雄

(1.沈陽航空航天大學機電工程學院，沈陽 110136； 2.沈陽航空航天大學，航空制造工藝數字化國防重點學科實驗室， 沈陽 110136)

Ti4Al6V簡稱TC4鈦合金是一種典型的(α+β)型鈦合金，其具有較高的比強度、良好的耐蝕性和焊接性能等特點，因此被廣泛應用于制造飛機起落架、蒙皮和角形架等航空、航天的關鍵零部件[1]。隨著航空航天飛行器水平高速發展，特殊服役環境下需要復雜結構件，而常規機械加工方式無法對復雜結構進行加工，同時復雜苛刻的服役環境導致零部件損傷，因此亟待尋找新型材料加工與修復技術。選區激光熔化成型(selective laser melting)技術可以解決這些問題[2-4]。

選區激光熔化成型技術是在選區激光燒結(selective laser sintering)技術的基礎上發展改進而來的一種增材技術，該技術構思最早是由德國Meiners[5]提出。選區激光熔化成型的工件具有致密度高、強度較大和尺寸精確等優點[6]。通過選區激光熔化成型技術對航空零部件進行修復，不但提高材料的利用率和延長復雜結構的使用壽命，還可以節省成本和縮短生產周期。如今，中國的增材技術在《中國制造2025》發展戰略的推動下成為了重點發展的技術之一。季憲泰等[7]通過對選區激光熔化成形的S136模具鋼淬火研究其組織與性能的影響。 Yao等[8]研究了不同功率與送粉速度對激光熔覆TC4鈦合金的組織和硬度的影響。高士友等[9]研究表明激光快速成型的TC4鈦合金已經達到了鑄造組織的力學性能。

選區激光熔化成型零件會有氣孔和微裂紋等缺陷并且組織性能可能具有各向異性，其中各向異性對激光選區熔化成形零件的使用影響很大。王濤等[10]、劉靜等[11]針對激光快速成型的各向異性進行了研究，但兩種方向取樣的拉伸性能仍有較大差異。故本文主要為減小選區激光熔化成型TC4鈦合金在垂直沉積方向(XY向)與平行沉積方向(Z向)取樣的拉伸性能差異，為選區激光熔化成型的進一步研究提供實驗依據。

1 實驗材料與研究方法

使用商用TC4鈦合金作為基材，采用TC4球形粉末的化學成分如表1所示。選區激光熔化成型實驗在沈陽某飛機設計研究所的S—310激光選區熔化設備完成，在氬氣保護下進行激光選區熔化試驗，選區激光熔化成型的沉積方向為Z向，其工藝參數為功率400 W，光斑直徑75 μm，搭接70～90 μm，層厚30～60 μm，掃描速度800～1 250 mm/s。

表1 TC4鈦合金粉末化學成分Table 1 Chemical compositions of the TC4 powder

對成型后的鈦合金進行常規熱處理，通過線切割進行取樣如圖1所示，取樣后通過機床將其加工成表面光滑且無宏觀缺陷的拉伸試樣，尺寸如圖2所示。每組加工成4個試樣，以金屬材料室溫拉伸試驗方法(HB 5143—1996)為參考，通過INSTRON電子萬能試驗機進行室溫靜態拉伸試驗，拉伸試驗過程采用恒速率加載控制，其加載速率為2 mm/min。

圖1 選區激光熔化TC4鈦合金棒狀取樣方式Fig.1 Sampling method of the selective laser melting TC4 titanium alloy rod sample

圖2 選區激光熔化成型TC4鈦合金拉伸試樣示意圖Fig.2 Schematic of standard tensile specimen of the Selective laser melting TC4 titanium alloy

利用金相顯微鏡(Olympus GX51)對試樣組織進行觀察，并利用掃描電子顯微鏡(FEI-QUANTA600)對拉伸斷口進行分析。 TC4鈦合金金相試樣磨拋后，采用Kroll腐蝕試劑(HF∶HNO3∶H2O=1∶3∶100)進行腐蝕。

2 結果與討論

2.1 激光選區熔化TC4鈦合金顯微組織

對于兩種方向取樣的力學性能差異，針對兩種方向上的顯微組織進行分析。從圖3(a)、圖3(c)可以看出柱狀晶沿著Z方向生長，柱狀晶的產生主要有兩個因素：第一，因為沉積的時候溫度梯度較高，激光在同軸送粉過程中將光斑處粉末融化為熔池，其中小熔體在基體的冷卻下開始凝固，形成沉積，溫度梯度最大的是熔池底部，大部分熱量通過熱傳導沿著基材垂直向下散失；第二，因為移動熔池具有外延生長特性，選區激光熔化成型是一種非平衡快速凝固的過程，由于激光熔池具有傳熱的特點，熔池內小熔體將在熔池底部逆熱流的方向外延生長[12]。在拉伸試驗過程中，裂紋首先會在α相和轉變β相的界面上，而裂紋的生長會受到彌散分布的α相的阻礙[13]。所以，彌散分布的α相能夠更加有效地阻礙脆性斷裂，從而發生塑性變形。

圖3 Z方向與XY方向取樣的顯微組織Fig.3 Microstructure of the specimens sampled in Z and XY direction respectively

如圖3(b)所示，Z方向取樣的合金呈現正交的片狀或針狀馬氏體組織。既有等軸細密的α相，又有一些片狀的α相和一定體積分數的β相，晶粒較細小均勻。與合金Z方向取樣相比，合金XY方向取樣的α相組織基本一致， β相組織偏多且晶粒粗大，如圖3(d)所示。細密均勻的等軸晶擁有較良好的塑性，使其擁有較高的斷面收縮率，因此合金Z向取樣的斷面收縮率略高于XY向取樣。

2.2 室溫拉伸性能

通過試驗得到TC4鈦合金XY方向與Z方向取樣的靜態力學性能，如表2所示。

表2 XY、Z向取樣的拉伸力學性能Table 2 Tensile properties of the specimens in XY and Z direction

中國標準鈦及鈦合金板材GB/T 3621—2007與美國宇航鈦合金標準AMS-4928中規定TC4鈦合金常溫下靜態力學性能滿足屈服強度達到830 MPa，抗拉強度達到895 MPa。通過對試驗數據的處理可以得到選區激光熔化成型的TC4鈦合金的力學性能已經滿足中美國家的使用標準。在XY方向取樣合金的彈性模量均值為116 GPa，在Z方向取樣合金的彈性模量均值為120 GPa，選區激光熔化成型的TC4鈦合金在XY方向取樣合金的抗拉強度與屈服強度均值為1 000 MPa和936 MPa，在Z方向取樣合金的抗拉強度與屈服強度均值為994、924 MPa。在XY方向取樣合金的延伸率與斷面收縮率的平均值為18.3%和44.1%，而在Z方向取樣合金的延伸率與斷面收縮率均值為21.1%和46.1%。XY方向取樣合金的抗拉強度與屈服強度略高于Z方向取樣的合金，但兩種方向取樣的選區激光熔化成型TC4鈦合金在拉伸力學性能差異已經減小。

2.3 拉伸斷口分析

通過掃描電鏡觀察兩種取樣方向拉伸試樣的斷口形貌，合金XY方向取樣的拉伸斷口形貌如圖4所示，圖4(a)是拉伸斷裂后整體的低倍形貌，斷口主要表現為由剪切唇與纖維區組成的混合形貌，斷口的起伏程度較大，棱角分明呈現斷崖形態，邊緣外側比較平整，沒有明顯的撕裂痕跡和收縮狀態，表明該取向試樣塑性變形不明顯。圖4(b)是斷口邊緣處的高倍形貌，可以明顯地看出不同尺寸和形狀的圓形或橢圓形韌窩，大韌窩附近布滿了小韌窩，分布稀疏且不均勻。圖4(c)是纖維區的高倍形貌，有較大的等軸韌窩平坦分布。

圖5 Z向取樣的斷口形貌Fig.5 Fracture morphologies of the specimen sampled in Z direction

合金Z方向取樣的拉伸斷口形貌如圖5所示，圖5(a)是拉伸斷裂后整體的低倍形貌，斷口主要表現為由剪切唇與纖維區組成混合形貌，與XY方向相比斷口有更為明顯的頸縮現象,斷口的斷裂起伏也有較大的不同，可以清楚地發現中心區域有大面積撕裂現象，且該面積大約占據整體面積的2/3，說明該方向取樣的斷口形貌的塑性變形更加明顯。圖5(b)是斷口邊緣處的高倍形貌，相較于合金XY方向取樣的同等區域，Z方向取樣的等軸韌窩稍大且更為密集均勻，分布也更加廣泛。圖5(c)是纖維區的高倍形貌，相較于XY方向上總體差異并不大，解理臺階面和側壁上有較深較大的等軸韌窩和明顯的撕裂棱，具有典型的塑性斷裂特征。所以Z方向取樣的合金斷面收縮率略大于XY方向。兩種方向的斷裂方式都為韌窩聚集型的韌性斷裂，斷口的形貌特征同時也說明了兩種方向取樣的選區激光熔化成型的TC4鈦合金差異已經減小。

兩種方向合金拉伸斷口均發現一些氣孔，是因為在選區激光熔化的成型過程中，激光將TC4粉末融化時部分氣體就會被包裹進去，從而形成比較細小的氣孔。此外，由于鈦合金成型的過程中，送粉裝置不穩定導致將粉末大量噴到光斑處，從而造成噴至光斑處的部分粉末未能完全融化就被包裹在已經凝固的金屬之中。或者是激光的掃描速度過快，導致部分鈦合金合金粉末還未完全融化就鋪了一層新的粉末，因此形成了如圖6(a)所示缺陷，從而影響了其力學性能。

圖6 斷口缺陷Fig.6 Defects on fracture surfaces

在鈦合金成型的過程中，粉末經過融化凝固后也會形成一些微小的空隙，在進行靜態室溫拉伸試驗時，這些微小的空隙和細小的孔洞缺陷由于拉伸應力的作用下長大或拉長，微小的空隙相當于鈦合金中的微裂紋，特別是在材料塑性變形的過程中，微孔長大后產生聚集，當達到一定程度的大小后，會在較大的孔或擴展的微裂紋處發生斷裂，如圖6(b)所示。因此鈦合金在此處更容易發生斷裂，且微小的氣孔斷裂后在斷口上表現為孔洞。

3 結論

(1)選區激光熔化成型的TC4鈦合金從兩個方向進行取樣，研究發現垂直沉積方向(XY方向)取樣和平行于沉積方向(Z方向)取樣的靜力學性能都達到了中國與美國AMS航宇鈦合金使用標準，合金XY方向取樣的抗拉強度與屈服強度略高于Z方向取樣,斷后伸長率與斷面收縮率略小于Z方向取樣。

(2)選區激光熔化成型TC4鈦合金兩種方向取樣的斷裂方式都為韌性斷裂，斷口呈韌窩狀。與合金XY方向取樣相比，Z方向取樣斷口剪切唇區域尺寸分布比例略小，但纖維區基本相同。

(3)選區激光熔化TC4鈦合金的拉伸性能的差異已經減小。目前可以根據實際航空應用的不同場合來進行合理的分配，從而達到選區激光熔化的應用性能最大化。