超大尺寸3D打印成型鈦合金葉片性能組織分析

高驥天　李清松　張波　鞏秀芳

摘要：3D打印增材制造是近年新興的一種快速、節(jié)材的材料成型方法，應(yīng)用前景十分誘人，但如何通過(guò)工藝參數(shù)控制顯微組織以獲得滿(mǎn)意的力學(xué)性能，特別是對(duì)于大型、且形狀及受力復(fù)雜的工件，目前是一個(gè)挑戰(zhàn)。采用3D打印工藝制造長(zhǎng)1 450 mm的超大尺寸TC4鈦合金葉片，分析其化學(xué)成分和金相組織，并進(jìn)一步測(cè)試其力學(xué)性能，分析討論力學(xué)性能不滿(mǎn)足要求的原因。結(jié)果表明：3D打印成型過(guò)程中光斑直徑選用過(guò)大、熱處理制度不當(dāng)，不僅造成葉片的微觀(guān)組織不均勻，降低其力學(xué)性能，而且葉片還存在力學(xué)性能各向異性的問(wèn)題。這對(duì)于推進(jìn)3D打印的工程化應(yīng)用具有一定的借鑒價(jià)值。

關(guān)鍵詞：3D打印;鈦合金;超大尺寸葉片;力學(xué)性能

中圖分類(lèi)號(hào)：TG146.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-2303（2020）03-0018-07

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.03.03

0 前言

鈦及鈦合金是20世紀(jì)40年代才開(kāi)始投入商業(yè)生產(chǎn)的金屬結(jié)構(gòu)材料，憑借其比強(qiáng)度高、耐腐蝕、熔點(diǎn)高等顯著優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用[1]。TC4鈦合金是目前應(yīng)用最廣的一種（α+β）兩相鈦合金[2]，具有良好的強(qiáng)度、塑性及韌性等綜合力學(xué)性能，適合于各種壓力加工成型，可用于制作工作溫度400 ℃以下的各類(lèi)零件[3-4]。在汽輪機(jī)機(jī)組中，使用長(zhǎng)度超過(guò)1 400 mm的低壓汽輪機(jī)末級(jí)動(dòng)葉片，可以使機(jī)組的功率增加20%[5]。目前已經(jīng)公開(kāi)的資料表明，日本三菱重工已經(jīng)能夠生產(chǎn)出長(zhǎng)度1 830 mm的鈦合金汽輪機(jī)末級(jí)葉片，俄羅斯動(dòng)力設(shè)備公司也已生產(chǎn)出長(zhǎng)度1 530 mm的鈦合金汽輪機(jī)末級(jí)葉片。

激光快速成型技術(shù)興起于20世紀(jì)70年代末，美國(guó)最先將激光快速成型的鈦合金應(yīng)用到航空領(lǐng)域[6]，隨后英國(guó)[7]、瑞典[8]、日本[9]等國(guó)家也相繼開(kāi)展了激光快速成型技術(shù)的研究，并取得了不同程度的進(jìn)展。我國(guó)很多高校及研究機(jī)構(gòu)也對(duì)激光快速成型的組織、性能等方面進(jìn)行了大量研究，并取得了一定的研究成果。

相較于傳統(tǒng)成型方式的鈦合金葉片，采用3D打印成型技術(shù)成型的鈦合金葉片具有快速、低成本、適應(yīng)生產(chǎn)各種復(fù)雜形狀零部件的優(yōu)勢(shì)[10]。3D打印成型方式能夠保證每一只葉片都具有極高的成型精度，有效解決了裝配過(guò)程中因尺寸精度不足和尺寸差異而帶來(lái)的裝配難題和導(dǎo)致汽輪機(jī)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的其他問(wèn)題。但采用3D打印方式成型的葉片在顯微組織形貌控制、葉片性能的一致性等方面相對(duì)于傳統(tǒng)鍛造+熱處理方式成型的鈦合金而言，尚存在一定的差距。本文針對(duì)該葉片3D打印工藝目前存在的問(wèn)題進(jìn)行研究，特別是對(duì)力學(xué)性能未達(dá)到要求指標(biāo)的原因進(jìn)行分析與討論。

1 葉片成型工藝

葉片為國(guó)內(nèi)新一代超超臨界汽輪機(jī)組所用的低壓末級(jí)葉片，葉根采用樅樹(shù)形直齒結(jié)構(gòu)，葉型是自由成形彎扭結(jié)構(gòu)，葉型中間內(nèi)背面有拉筋凸臺(tái)，葉頂相對(duì)于葉根截面達(dá)到82°超大扭轉(zhuǎn)角，葉片厚度連續(xù)變化，具有長(zhǎng)高型結(jié)構(gòu)特征，垂直高度方向上葉型面的最大外廓尺寸約為440 mm×170 mm，面積相對(duì)較小，沿高度方向激光成形增高，應(yīng)力和變形控制難度不大。葉型面的扭轉(zhuǎn)角度約為每100 mm扭轉(zhuǎn)6°，從葉根到葉冠，型面扭轉(zhuǎn)帶來(lái)截面外廓向外延伸傾斜的角度典型值為8°，最大可達(dá)12.7°。扭轉(zhuǎn)葉型面通過(guò)激光成形二維截面外廓的逐漸外延自然成形獲得。在沉積方向上，中央拉筋和葉冠存在截面突然變大的特征，對(duì)葉冠和頂部凸臺(tái)，采取添加工藝支撐的方式成形;對(duì)拉筋結(jié)構(gòu)，根據(jù)mx數(shù)模和cymx數(shù)模的不同尺寸大小，可以選取添加工藝支撐或者將葉片放平最后兩面成形出拉筋的方式成形。

葉片在熱處理后需進(jìn)行機(jī)加工成型裝配，該葉片采用送粉法進(jìn)行成型。根據(jù)葉片驗(yàn)收要求，激光功率控制在8～10 kW，送粉率2 200～2 400 g/h，光斑直徑8.5～10.0 mm，掃描頻率1 000～1 500 mm/min。熱處理工藝為雙重退火，其工藝參數(shù)為：β轉(zhuǎn)變溫度（Tβ）以下40 ℃，保溫3 h，風(fēng)冷;550 ℃，保溫2 h，空冷。

2 葉片解剖分析結(jié)果

為確認(rèn)采用該工藝制造的成品是否能夠達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，在完成所有加工過(guò)程之后，對(duì)成品葉片進(jìn)行解剖分析。

2.1 葉片的化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果

對(duì)3D打印成型的鈦合金葉片進(jìn)行化學(xué)成分檢查，試驗(yàn)方法為GB/T 20123、GB/T 20124、GB/T 223.82。其檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，該葉片的主要成分滿(mǎn)足GB/T 3620.1[11]的要求（見(jiàn)表2）。其中C、N、H遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求上限值，V含量比要求范圍的中值略高，Al含量靠近上限要求值。

2.2 金相試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 金相取樣位置

為分析3D打印葉片在不同位置的組織形貌以及組織差異性，在葉片的葉頂、葉根、汽道處取樣進(jìn)行金相試驗(yàn)。

2.2.2 宏觀(guān)檢查結(jié)果

解剖3D打印葉片，并進(jìn)行宏觀(guān)試驗(yàn)，結(jié)果如圖1～圖3所示。

由圖1～圖3可知，在葉片不同位置的宏觀(guān)組織上均形成了層帶。這是因?yàn)榧す馐a(chǎn)生的能量呈高斯分布，即激光束的中心溫度高，邊緣溫度低，造成粉末熔化不充分、不均勻。兩個(gè)相鄰光斑之間出現(xiàn)搭接區(qū)域，而搭接區(qū)域部分屬于重熔區(qū)域，進(jìn)而導(dǎo)致層帶的形成。

2.2.3 微觀(guān)組織觀(guān)察結(jié)果

分別在葉根、1/3汽道、2/3汽道和葉頂?shù)牡捅对嚇由先舆M(jìn)行微觀(guān)組織觀(guān)察，如圖4～圖7所示。

由圖4～圖7可知，葉頂和葉根位置的金相組織為馬氏體+魏氏組織，且存在明顯的熔池現(xiàn)象;葉身組織分別為α+β相和長(zhǎng)條魏氏組織，說(shuō)明葉片本身的組織均勻性不好，會(huì)對(duì)葉片的性能結(jié)果造成影響。

2.2.4 物相分析檢查結(jié)果

TC4合金為α-β兩相鈦合金，α相和β相在合金中起到不同的作用，β相成分一般占比約為8%～10%。葉根、1/3汽道、2/3汽道物相分析如圖8～圖10所示。

由圖可知，1/3汽道處存在約為5%的β相，而葉根和2/3汽道處的β相含量為0，這更加證明了葉片金相組織的不均勻性，且相成分也存在明顯差異。這些都會(huì)對(duì)葉片的性能產(chǎn)生影響。

2.2.2 能譜分析

對(duì)葉片不同位置進(jìn)行能譜分析，其結(jié)果如圖11～圖13、表3～表5所示。

3 葉片力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

因?yàn)槿~身位置厚度極薄，最厚處不超過(guò)15 mm，所以力學(xué)試樣的取樣位置在葉頂和葉身處。拉伸試驗(yàn)按照GB/T 228.1的要求進(jìn)行，拉伸試樣斷裂形貌見(jiàn)14，按照GB/T 229的要求進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。

3D打印成型鈦合金葉片不同部位力學(xué)性能如表6所示。由表6可知，3D打印成型葉片的橫向和縱向拉伸性能差異很大，其中橫向的強(qiáng)度高于縱向，但橫向的塑性比縱向差，且未能達(dá)到GB/T 2965[12]中對(duì)于TC4合金的要求值（見(jiàn)表7）。

究其原因：該葉片在成型時(shí)是沿著葉片的縱向方向生長(zhǎng)，而在橫向同一截面的粉末則是同時(shí)熔化成型并被送到指定位置并最終凝固成型。從金相試驗(yàn)結(jié)果可以看出，熔池凝固時(shí)，會(huì)形成較為粗大的柱狀β相，并在β相內(nèi)部進(jìn)一步生成α或者α'相。而當(dāng)鈦合金從高溫快速冷卻時(shí)，極高的冷卻速度使β相來(lái)不及轉(zhuǎn)變?yōu)棣料啵虼宿D(zhuǎn)變?yōu)槌煞峙c母相相同、晶體結(jié)構(gòu)不同的α'相。快速冷卻過(guò)程中形成的片狀α和α'相Ti6Al4V合金為密排六方結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的滑移系數(shù)量少、塑性較差;而滑移系較多的β相含量極低，從而影響了合金的塑性;細(xì)針狀馬氏體組織（見(jiàn)圖5）具有高強(qiáng)度、高硬度，但其韌性差，具有硬而脆的特點(diǎn)。這兩個(gè)因素使得成形的組織表現(xiàn)出較強(qiáng)的脆性。

4 分析與討論

（1）由理論分析可知，隨著熔化層高度的逐漸增加，激光束產(chǎn)生的能量在熔化層不斷積累中，使得熔化層溫度也逐漸升高，激光束的熱作用區(qū)也不斷擴(kuò)大。當(dāng)激光束熔化粉末時(shí)對(duì)前一層熔化層產(chǎn)生的溫度影響超過(guò)α相相變硬化溫度時(shí)，熔化層中的層帶將消失[10]。而在本文的葉片金相組織中，葉根、葉身、葉頂位置處金相組織的層帶均未消失，且在葉根和葉頂?shù)慕鹣嘟M織中發(fā)現(xiàn)了非常明顯的熔池現(xiàn)象，說(shuō)明制造過(guò)程中激光束產(chǎn)生的熱作用偏小，導(dǎo)致層帶未能完全消失。

（2）根據(jù)金相和物相分析結(jié)果，采用3D打印成型的鈦合金葉片在不同位置的β相比例差別明顯，即使在含量較多的1/3汽道處，其β相比例也比常用航空用TC4合金的β相含量低，從而導(dǎo)致葉片力學(xué)性能在不同方向上的差異較大。

（3）根據(jù)能譜分析結(jié)果，采用3D打印成型的葉片，w（V）為4.14%。在1/3汽道處，α相穩(wěn)定元素Al和β相穩(wěn)定元素V分布不均，但也起到了穩(wěn)定相關(guān)相成分的作用，而其余位置的β相穩(wěn)定元素V含量分布過(guò)于均勻或差異較大，未能起到促進(jìn)β生長(zhǎng)和穩(wěn)定的作用，最終導(dǎo)致β相含量過(guò)低。

5 結(jié)論和建議

（1）該3D打印的激光光斑直徑選取過(guò)大，可采用減小光斑直徑，增大掃描功率和速率，減小層帶，提高重熔率，令組織更加均勻。

（2）改進(jìn)熱處理工藝，使葉片組織更加均勻化，降低因組織不均勻而造成的力學(xué)性能差異明顯。

（3）鈦合金的退火溫度在β單相區(qū)時(shí)晶粒會(huì)急劇長(zhǎng)大，在冷卻時(shí)會(huì)析出大的片狀α相魏氏組織，嚴(yán)重降低材料的塑性，加之葉片總體的V含量相對(duì)于GB/T 3620.1的要求值離上限要求較近，所以可考慮適當(dāng)降低葉片的退火溫度，從而避免產(chǎn)生“β脆性”，以及導(dǎo)致β相晶粒大量分解成為魏氏組織。

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