退火熱處理對TA17鈦合金激光選區(qū)熔化成形件的力學性能影響研究

伍建文 蘆麗莉 陶濤 黃衛(wèi)東

摘要：針對TA17鈦合金激光選區(qū)熔化成形（SLM）試驗件高強度、低塑性的問題，開展不同溫度、冷卻方式下的退火熱處理工藝研究，通過研究退火熱處理前后試件的力學性能測試結果，分析退火熱處理工藝對TA17鈦合金SLM試件力學性能的影響。結果表明：經(jīng)過900～950 ℃真空保溫2 h后空冷的退火熱處理，SLM試件的強度降低，塑性與韌性得到明顯提高，整體力學性能較均衡，滿足技術要求。

關鍵詞：TA17鈦合金;激光選區(qū)熔化成形;退火熱處理;力學性能

中圖分類號：TG457.1? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）01-0111-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.01.18

0? ? 前言

激光選區(qū)熔化成形（selective laser melting，SLM）技術是以原型制造技術為基本原理發(fā)展起來的一種先進的激光增材制造技術。通過專用軟件對零件三維數(shù)模進行切片分層，獲得各截面的輪廓數(shù)據(jù)后，利用高能量激光束根據(jù)輪廓數(shù)據(jù)層選擇性地熔化金屬粉末，通過逐層鋪粉、逐層熔化凝固堆積的方式，制造三維實體零件。SLM技術可實現(xiàn)傳統(tǒng)工藝如鍛造、鑄造、焊接等無法制造的內部有異形復雜結構的高精度、短流程零件的制造，而且成形零件的性能滿足工程使用要求。

鈦合金具有比強度高、耐腐蝕性好、可焊性強等特點，廣泛應用于航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生、核動力行業(yè)等領域[1]。TA17是一種我國基于前蘇聯(lián)牌號IIT-3B合金研制的鈦合金材料[2]。由于鈦合金本身所具有的高熔點、高熔融態(tài)活性以及大的變形抗力等特點，使得鈦合金從原材料到零件制備成形的成本及難度大大提高，且產量低，周期長。SLM制造鈦合金具有加工周期短、制造成本低、高柔性化、高強度等特點，在航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生等多個專業(yè)領域受到越來越高的重視[3]。

相關研究表明，SLM成形件強度高、塑性差，需要熱處理方式進一步提高成形件的綜合力學性能，若要達到工程應用，需提高材料塑性，改善材料性能[4]。文中針對該問題，開展不同溫度、冷卻方式下的退火熱處理工藝研究，通過研究退火熱處理前后試驗件的力學性能數(shù)據(jù)，分析退火熱處理工藝對TA17鈦合金SLM試驗件的影響，獲得改善材料性能的最優(yōu)熱處理工藝。

1 研究對象

開展TA17鈦合金激光選區(qū)熔化成形工藝試驗，獲得了TA17鈦合金SLM試驗件。試驗采用德國EOS M400金屬快速成形機。設備包含冷卻系統(tǒng)、循環(huán)過濾系統(tǒng)、成型系統(tǒng)、氣體保護系統(tǒng)等多個系統(tǒng)，成形艙成型尺寸為400 mm×400 mm×400 mm，激光功率≥1 000 W。試驗采用橫向雙向鋪粉，通過振鏡調節(jié)激光束掃描成形艙基板每一個零件的斷層輪廓，逐層疊加最終成形整個零件。

對試驗件進行了橫向（XY）/縱向（YZ/XZ）的室溫拉伸、高溫拉伸、沖擊試驗測試，結果如表1、表2所示。國內對TA17的力學性能要求如表3所示，對比可知，TA17鈦合金SLM試驗件滿足技術要求[5]。

由表1～表3可知，TA17鈦合金SLM試驗件各項力學性能滿足國內TA17力學性能要求，具有較高的強度、較低的塑性。為了使材料具有更加良好的綜合力學性能，采用退火熱處理方式來提高材料塑性[6]。

2 試驗過程及結果

2.1 試驗過程

TA17是從TC4演變而來的低合金α型鈦合金，相變溫度為965～970 ℃，適當?shù)臒崽幚砟軌蛴嗅槍π缘倪M一步提高材料的力學性能指標[6-7]。退火熱處理工藝研究主要從熱處理溫度、冷卻方式兩個方面研究退火熱處理對TA17鈦合金SLM試驗件力學性能的影響。

試驗分為800～900 ℃空冷（AC）、800～900 ℃爐冷（FC）、900～950 ℃空冷（AC） 3組不同退火熱處理工藝，具體的工藝指標如表4所示。

2.2 室溫拉伸試驗結果

按照GB/T228-2008《金屬材料室溫拉伸試驗方法》標準規(guī)定，對退火熱處理后的3組試驗件進行了橫向（XY）/縱向（YZ/XZ）的室溫拉伸試驗，結果如圖1、圖2所示。

分析圖1、圖2可知：（1）經(jīng)過熱處理后，TA17鈦合金SLM試驗件的室溫抗拉強度、屈服強度均明顯地下降，均滿足標準要求;（2）不同的熱處理方式均會使材料的伸長率有一定提高，而室溫斷面收縮率表現(xiàn)不同;（3）經(jīng)過800～900 ℃空冷（AC）或800～900 ℃爐冷（FC）退火熱處理后，該材料的斷面收縮率明顯降低;（4）經(jīng)過900～950 ℃空冷（AC）退火熱處理后，斷面收縮率有一定提高，表明該材料塑性得到增強;（5）經(jīng)過900～950 ℃空冷（AC）退火熱處理后，縱向YZ/XZ方向與橫向XY方向的室溫力學性能數(shù)據(jù)差異減小，表明該材料整體的室溫力學性能較均衡。

2.3 室溫沖擊試驗結果

按照GB/T229-2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》標準規(guī)定，對退火熱處理后的3組試驗件進行了橫向（XY）/縱向（YZ/XZ）的室溫沖擊試驗，結果如圖3所示。

分析圖3可知，經(jīng)過800～900℃空冷（AC）或800～900℃爐冷（FC）退火熱處理后，TA17鈦合金SLM試驗件的沖擊韌性AKU明顯降低，但經(jīng)過900～950 ℃空冷（AC）退火熱處理后，室溫沖擊韌性AKU有一定增加，該材料的韌性提高。

根據(jù)室溫拉伸性能、沖擊性能結果，表明經(jīng)900～950 ℃空冷（AC）退火熱處理后，TA17鈦合金SLM試驗件的室溫的塑性、韌性得到提高，為3種熱處理工藝中最優(yōu)。選定900～950 ℃空冷（AC）熱處理后的試件開展350 ℃高溫拉伸性能試驗。

2.4 高溫拉伸試驗結果

按照GB/T4338-2006《金屬材料高溫試驗方法》標準規(guī)定，對900～950 ℃空冷（AC）后的TA17鈦合金SLM試驗件開展高溫拉伸試驗，結果如圖4、圖5所示。

根據(jù)高溫（350℃）拉伸試驗結果可知，經(jīng)900～

950 ℃空冷（AC）退火熱處理后：（1）TA17鈦合金SLM試驗件的高溫（350 ℃）抗拉強度與屈服強度均有明顯降低，滿足技術要求;（2）縱向YZ/XZ方向與橫向XY方向的力學性能數(shù)據(jù)差異減小，表明該材料整體的力學性能較均衡;（3）延伸率有顯著提高，與熱處理前相比提高了約50%;（4）橫向斷面收縮率略有降低，縱向收縮率有所提高;（5）橫、縱向的高溫力學性能數(shù)據(jù)差異減小，表明該材料整體的高溫力學性能較均衡。

綜合來看，TA17鈦合金SLM試驗件經(jīng)900～950℃空冷（AC）退火熱處理后，室溫與高溫（350 ℃）強度顯著降低，延伸率顯著提高，斷面收縮率有所提高，均滿足技術要求。表明該材料的室溫、高溫（350 ℃）的塑性與韌性得到明顯提高。

3 結論

通過對TA17鈦合金激光選區(qū)熔化成形材料做退火熱處理工藝試驗研究，對比3種不同溫度、冷卻方式下的退火熱處理工藝后室溫拉伸、350 ℃高溫拉伸、沖擊試驗性能數(shù)據(jù)，得到以下結論：

（1）800～900℃空冷或者爐冷熱處理后，該材料的室溫強度降低，塑性提高，但韌性降低。

（2）900～950℃下保溫2 h后空冷（AC）為最優(yōu)的退火熱處理工藝方案，在此方案下，該材料的強度降低，塑性與韌性得到明顯提高，整體的力學性能較均衡，滿足技術要求。

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