激光增材修復TC6鈦合金工藝性能研究

范朝　程宗輝　張志強　程東海

摘要：在TC6鈦合金上進行激光增材TA15粉末試驗，利用WDW-100試驗機測量增材修復后試樣的抗拉強度，利用沖擊韌性試驗機測量修復后試樣的沖擊韌性，利用光學顯微鏡（OM）和掃描電鏡（SEM）觀察分析接頭的力學性能及接頭顯微組織構成。研究結果表明：TC6損傷激光增材修復接頭成形良好，接頭界面結合處無裂紋、氣孔。接頭抗拉強度可達1 000 MPa，沖擊韌性可達27.5 J/cm2，試樣斷裂于靠近TC6母材的熱影響區;TC6激光增材最佳工藝參數為：激光增材粉末TA15，激光功率1 400 W，掃描速度0.01 m/s，送粉器讀數low%（英文），載粉氣8 L/min，搭接率40%，光斑直徑2 mm，單熔覆層高度0.3 mm;TC6激光增材接頭由焊縫區、熔合區、熱影響區、母材組成。焊縫區主要是細小的針狀馬氏體;熔合區半融化的晶粒主要是基底外延生長的β柱狀晶，并且熔合區由粗大的柱狀晶組成，晶粒呈“八”字形生長;熱影響區主要為α'片狀馬氏體。

關鍵詞：TC6;TA15粉末;熱影響區;熔合區

中圖分類號：TG456.7文獻標志碼：A文章編號：1001-2303（2020）03-0115-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.03.21

0 前言

TC6鈦合金是馬氏體型α+β兩相熱強鈦合金，是目前應用最廣泛的Ti-Al-Mo-Cr-Fe-Si系鈦合金，其名義成分為Ti-6Al-1.5Mo-2.5Cr-0.5Fe-0.3Si，使用溫度可達450 ℃左右[1-4]，廣泛應用于航空領域。然而TC6鈦合金制重要承力構件在使用過程中存在表面腐蝕、劃傷、裂紋等缺陷，一般通過激光增材修復完成，并確保增材修復接頭性能滿足使用要求。TC6鈦合金結構件屬于關鍵承力件，價格貴，采用換新修理成本高、采購周期長，嚴重影響生產效率。激光焊接具有能量密度高、掃描速度快、熱影響區小、增材變形小、熔池凈化效應明顯等優點，因此在航空維修過程中開展激光增材修復TC6鈦合金材料研究具有廣闊的發展前景。目前激光增材修復的研究主要集中在鈦合金、結構鋼、奧氏體不銹鋼等損傷零部件的修復上。欽蘭云等[5]對BT20鈦合金鍛件當量孔損傷進行激光增材修復試驗，研究表明增材區與基材之間形成了致密冶金結合，Al、Zr、Mo、V合金元素由鍛件基體到激光增材區均勻分布，無宏觀偏析，硬度分布從基材到增材區依次提高。熱影響區組織是由基材的雙態組織過渡到網籃組織;沉積區組織為粗大的原始柱狀β晶，晶粒內為α/β網籃組織，晶內α片層取向隨機。張志強等[6]采用激光增材修復30CrMnSiNi2A鋼制零件表面損傷，研究表明熔覆層與基體呈現牢固的冶金結合，基體熱影響區域小，熔覆區的抗拉強度大于基體強度的80%，熔覆區材質的脆性較基材有所增加。

本研究針對TC6鈦合金進行激光增材修復試驗，獲得了質量較好的激光增材接頭，并對工藝參數對接頭力學性能和顯微組織轉變的影響進行分析，為激光增材修復TC6在航空維修中的應用提供理論指導。

1 試驗材料及方法

試驗材料為TC6棒材，填充材料為TA15球形合金粉末，粒徑為60～120 μm，材料的主要成分如表1所示，主要物理性能如表2所示，試驗工藝參數如表3所示。材料預處理：激光熔覆前將TC6基體表面打磨粗化，之后用無水乙醇清洗基體材料，去除表面油污。試驗在激光熔覆成套設備（LFR-M-Ⅱ）上完成。增材修復合金粉末經光內同軸送粉噴嘴送進激光熔池。為防止氧化，采用高純氬氣進行保護。試驗件上預制槽型缺口如圖1、圖2所示，利用激光增材修復設備進行激光增材修復試驗，并機械加工制作拉伸試樣、沖擊試樣后進行X射線探傷，檢測接頭內部缺陷情況。增材修復層位于試樣的中心。拉伸試驗在WDW-100試驗機上完成，沖擊試驗在沖擊試驗機上完成，試驗結果如表4所示。

2 試驗結果及討論

2.1 激光增材熱輸入對TC6激光增材接頭力學性能的影響

本試驗的目的是通過設置激光功率、掃描速度來研究激光增材熱輸入對TC6接頭抗拉強度、沖擊韌性的影響（試驗中固定送粉器讀數low%（英文），載粉氣8 L/min，搭接率50%，光斑直徑2 mm;單道熔覆層高度不大于0.3 mm）。由表4可知，修復試樣均斷裂于靠近母材的熱影響區。在修復粉末一定的情況下，TC6激光增材試樣力學性能主要受激光熱輸入影響，即受激光功率、掃描速率等因素影響。

不同激光熱輸入對接頭抗拉強度影響如圖3所示。可以看出，隨激光熱輸入的增加，接頭抗拉強度先增大后減小，當激光熱輸入為80 J/mm時，因熱輸入較小，熔合區成形不佳，抗拉強度僅為800 MPa，為TC6母材基體抗拉強度的73%。當激光熱輸入為140 J/mm時，TC6接頭抗拉強度為1 000 MPa，可達母材基體抗拉強度的92.2%;當激光熱輸入為200 J/mm時，抗拉強度為900 MPa，說明激光熱輸入過大，激光熱累積效應使得接頭組織變為粗大的柱狀晶，由于熱脹冷縮導致接頭殘余應力變大，力學性能降低。

不同激光熱輸入對接頭沖擊韌性的影響如圖4所示。由圖可知，接頭的沖擊韌性隨著激光熱輸入的增加呈先突增后緩慢下降的特點。激光熱輸入為200 J/mm時，接頭沖擊韌性較低，原因是過大的激光熱輸入使基體熔化過多，導致基體元素熱翻滾至增材修復層中，同時接頭在組織轉變過程中晶粒粗大，此時熔池還伴隨著飛濺，且增材修復層、熱影響區附近顯示為淡黃色，在較大的熱輸入作用下，熔池金屬處于熔融態時間延長，增加了液態金屬與氧氣接觸時間，增大了接頭表面氧化傾向和熱變形，進而導致TC6增材試樣殘余應力大，沖擊韌性較低;隨著激光熱輸入的降低，增材修復成形良好，熔合區成形較好，晶粒細小，接頭沖擊韌性逐漸提高。當激光熱輸入為140 J/mm時，接頭沖擊韌性達到最大27.5 J/cm2。

綜上所述，TC6激光增材修復最佳參數為：固定送粉器讀數low%（英文），載粉氣8 L/min，搭接率40%，光斑直徑2 mm，激光功率1 400 W，激光掃描速度0.01 m/s。在此工藝參數下對所獲得接頭進行顯微組織分析，并對鈦合金在不同激光熱輸入下的組織轉變進行分析。

2.2 激光增材修復TC6合金的顯微組織

2.2.1 最優工藝參數下熔合區及熱影響區組織分析

TC6激光增材接頭熔合區與熱影響區低倍微觀組織照片和掃描電鏡微觀組織照片分別如圖5、圖6所示。由圖可知，熔合區、熱影響區均未觀察到裂紋和氣孔。圖5b中有以熔合區半融化的晶粒為基底外延生長的β柱狀晶，并且熔合區由粗大的柱狀晶組成，晶粒呈“八”字形生長，其邊界依稀可見。這是由于鈦合金的導熱性能較差，對過熱十分敏感，晶粒的生長方式由激光增材熱源作用特點決定。增材區這種粗大的晶粒將會嚴重增加組織的脆性。進一步放大觀察熔合區微觀組織（見圖6a），可見柱狀晶內部細小的針狀馬氏體呈網籃狀分布。這是因為激光焊接過程中熔合區金屬被加熱到相變點以上，且焊后冷卻度很快，導致相變過程中以柱狀晶形式存在的β相來不及轉變成α相，而是發生了β→α'無擴散形轉變，α'是合金元素在α相中來不及擴散形成的過飽和固溶體，又稱鈦馬氏體。在激光增材修復時溫度和應力的綜合作用下，形成網籃狀亞結構，其塑性、蠕變抗力及高溫持久強度等綜合性能都較好。

熱影響區是在激光熱源的作用下，增材區兩側母材發生組織變化的區域。由于激光增材修復速度快，能量密度集中，所以熱影響區非常窄，為α+β+α'組織（見圖5c），與在β轉變溫度以下淬火的組織相似，形狀為細小的馬氏體針，α'片狀集團的數量較多。這是由于此處熱影響區的溫度低于熔合區，使得α相并未完全轉變。而已轉變的α相因高溫停留時間短，β相沒有發生嚴重的晶粒長大，且相變時的形核較多，于是形成大量的細小β相晶粒，在快速冷卻時形成了大量細小的馬氏體。進一步放大熱影響區顯微組織（見圖6b）發現，熱影響區的針狀馬氏體較熔合區更少更細，這是因為遠離熔合區的熱影響區中的加熱溫度沒有超過相變點，發生馬氏體轉變的β相少，高溫停留時間短，不易發生晶粒的異常長大。

2.2.2 激光熱輸入對微觀組織的影響

鈦合金的導熱性能較差，對激光熱循環非常敏感，因此激光熱輸入的改變會對增材區和熱影響區的組織產生很大影響。

采用不同的激光熱輸入時，增材區中部柱狀晶的尺寸變化不明顯，而晶粒內部針狀馬氏體的尺寸和形態有所不同，如圖7所示。隨著熱輸入的增大，針狀馬氏體的數量增多，分布更加密集。且高的線能量下馬氏體針更加粗大，分布更加散亂。分析原因：一方面熱輸入量的增大導致實際增材溫度升高，增材區組織在β轉化溫度以上的停留時間變長，因此高線能量時增材區針狀馬氏體組織比小線能量的尺寸更大。二是隨著熱輸入的增大，合金元素（尤其是Al）的燒損嚴重，使得β相的馬氏體轉變溫度降低，使得β相容易發生孿生變形而形成取向各異的馬氏體針，大量馬氏體針交互生長造成了分布更加散亂的網籃狀組織。增材區精細結構中這種雜亂無序的排列方式對提高接頭性能影響明顯，因為在相同變形量下，變形會分散在更多的板條晶粒內部進行，晶粒內部和晶界附近的應變度相差較小，變形較均勻，引起的應力集中也減小。此外晶界的曲折性也有利于阻礙裂紋的傳播。當激光熱輸入量選擇適中時，一方面可以使得馬氏體的排列接近雜亂無章狀態，增材區變形更加均勻，且有效阻礙裂紋的傳播;另一方面，相對于大熱輸入量，激光沉積時晶粒更加細小，對于增材區的塑性有所改善。

3 結論

（1）TC6損傷激光增材接頭成形良好，接頭界面結合處無裂紋、氣孔。接頭抗拉強度可達1 000 MPa，沖擊韌性可達27.5 J/cm2，試樣斷裂于靠近TC6母材的熱影響區。

（2）TC6激光增材最佳工藝參數為：激光增材粉末TA15，激光功率1 400 W，掃描速度0.01 m/s，送粉器讀數low%（英文），載粉氣400 L/h，搭接率40%，光斑直徑2 mm，單熔覆層高度0.3 mm。

（3）TC6激光增材接頭由焊縫區、熔合區、熱影響區、母材組成。焊縫區主要是細小的針狀馬氏體;熔合區半融化的晶粒主要是基底外延生長的β柱狀晶，并且熔合區由粗大的柱狀晶組成，晶粒呈“八”字形生長;熱影響區主要為α'片狀馬氏體。

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