高溫工況用激光選區熔化TC4鈦合金組織和力學性能研究

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）

0 引言

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

近年來，隨著工程設計的不斷完善，具有輕量化特點的各類高溫承力TC4鈦合金結構設計方法被逐步采用，而傳統的結構加工方法不能滿足這些輕量化結構的制造要求。激光選區熔化技術（Selective Laser Melting，SLM）作為增材制造技術中重要的一類制造方法，可以實現復雜結構的快速成型，是解決現有加工難題的主要途徑[3]。

增材工藝狀態下的鈦合金組織特征和缺陷特征直接影響其力學性能，進而影響結構的力學指標。因此研究TC4鈦合金激光選區熔化條件下的組織特征及對力學性能的影響規律具有工程應用價值。

1 實驗

試件成形過程在華曙高科FS271M 激光3D 打印設備上進行，以打磨擦洗后的TC4 鈦合金板為沉積基板，制備時采用氬氣作為保護氣體，采用的打印成型工藝參數為：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，化學成分如表1所示。

表1 TC4的化學成分表

為了研究沉積態TC4 合金的顯微組織，用VHX-600E 的光學顯微鏡進行金相組織觀察。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，然后再對金相試樣進行腐蝕，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，腐蝕時間為50S;

通過線切割機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標準制備，其尺寸如圖1所示，試棒制備3個。拉伸實驗在CMT5105微機控制電子萬能實驗機上進行，加載速度為2.5mm/min，實驗結束條件為試棒斷裂。實驗過程中采集試棒拉伸時的橫梁拉力，用引伸計測量試件對應的變形量，并在實驗結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 結果和討論

2.1 沉積態TC4的物相分析

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

圖2 沉積態SLM成型TC4合金試樣的XRD圖譜

2.2 沉積態鈦合金的顯微組織

圖3 是不同放大倍數下沉積態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TC4 鈦合金中除了α 相和β 相外，還存在馬氏體。這是因為，在SLM 成形時，TC4 鈦合金在快速冷卻過程中通過非擴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標準對試棒進行拉伸試驗，試驗結果取3 次實驗的平均值。沉積態TC4 合金的拉伸性能如表2 所示，其抗拉強度為1197MPa，斷后伸長率8%。相比于TC4鈦合金鑄件標準（抗拉強度910MPa，斷后伸長率10%），激光選區熔化成型TC4 鈦合金的抗拉強度明顯提升，但是塑性略有下降，這可能是因為在激光選取熔化過程中，TC4鈦合金經歷一個急冷急熱的過程，在此過程中，組織中的各相含量發生了明顯變化。

表2 SLM成型TC4合金的拉伸性能

3 結論

本文對激光選區熔化制備的TC4 鈦合金的顯微組織和力學性能進行了研究。結果表明：TC4 鈦合金為α+β 兩相合金，成形件原始α+β 晶內的微觀組織主要由具有一定取向的針狀馬氏體組成，這可能是因為，在SLM成形時，TC4鈦合金在快速冷卻過程中通過非擴散切變形成了馬氏體相；SLM沉積TC4合金的抗拉強度為1197MPa，斷后伸長率為8%，相比于TC4鑄件標準（抗拉強度910MPa、斷后伸長率10%），強度明顯提升，塑性略有降低，這可能與TC4鈦合金在加工過程中經歷的急冷急熱導致的組織變化有關。