熱處理對激光立體成形TB18鈦合金組織和力學性能的影響

張 穎，王浩軍，陳素明，胡 廣，歐陽德來，崔 霞，胡生雙

(1.中航西安飛機工業集團股份有限公司，陜西 西安 710089；2.西安鉑力特增材技術股份有限公司，陜西 西安 710000；3.南昌航空大學 材料科學與工程學院，江西 南昌 330063)

航空鈦合金因具有高比強度、斷裂韌性和優良抗疲勞擴展性能等優點，是目前航空飛行器結構件的首選材料[1-4]。TB18鈦合金是一種新型高強高韌近β型鈦合金，名義成分(質量分數，%)為Ti-5Al-5Mo-5V-6Cr-1Nb-0.5Fe[5]。該合金經熱處理后強度高達1400 MPa，顯著高于目前大多數已服役的1300 MPa級別的鈦合金。大型結構件通常采用整體鍛造等傳統方法制造，工藝復雜且花費周期長，對制造技術和制造裝備的要求較高，成形技術難度大，且零件加工去除量大、數控加工時間長、材料利用率低、生產周期長、制造成本高。

激光立體成形技術(Laser solid forming，LSF)是20世紀90年代發展起來的一項數字化增材制造技術，與傳統減材加工方法相比較，該技術無需模具，可實現金屬零部件的近凈成形[6-9]。目前國內外學者正加快對航空鈦合金激光立體成形的研究，例如西北工業大學黃衛東、郭偉國等學者已對TC4、TC11等鈦合金激光立體成形工藝開展了廣泛研究[8-10]。但是激光增材制造為非平衡凝固過程，容易產生組織應力及熱應力，出現變形和開裂等現象，所以激光增材制造的后處理就顯得尤為主要。激光增材制造最常見的后處理方式是熱處理。通過較為合理的熱處理工藝能夠達到改善激光增材制造金屬構件的顯微組織、消除缺陷和優化性能的目的[11]。然而，針對TB18鈦合金激光立體成形及其后續熱處理的相關研究報道還非常少。

基于此，本文采用激光立體成形技術制備TB18鈦合金，并對其進行不同工藝的熱處理研究，對比研究了不同熱處理工藝條件對其顯微組織及力學性能的影響，以期為TB18鈦合金激光立體成形構件的實際應用提供理論基礎。

1 試驗材料及方法

試驗所用原材料為TB18鈦合金旋轉電極球形粉末，其化學成分如表1所示(β相變點約為795 ℃)。在真空干燥箱內進行150 ℃×2 h的烘干處理以去除水分，真空干燥箱氣壓約0.02 MPa。所用基材為同材質TB18鈦合金鍛件。使用砂紙對基材表面進行打磨，并用酒精清洗，以去除表面氧化層和油污。

表1 TB18鈦合金的化學成分(質量分數，%)

采用BLT-C1000型激光立體成形設備在TB18鈦合金表面進行激光立體成形試驗。激光沉積成形過程中粉末顆粒經由送粉器、同軸送粉噴嘴輸送進入激光熔池內，熔池內粉末顆粒熔化并快速凝固形成熔覆層。沉積過程中采用氬氣氣氛保護以防止鈦合金氧化和夾雜污染，氬氣氣氛中氧含量低于50×10-6。激光立體成形工藝參數為激光功率3800 W、掃描速度1000 mm/min、送粉量35 g/min、光斑直徑φ5 mm、層厚0.5 mm。對激光立體成形后的TC21鈦合金試樣分別進行不同工藝的熱處理，具體熱處理制度如表2所示。

表2 激光立體成形TB18鈦合金熱處理制度

原始沉積態和熱處理試樣均沿中間部分(排除首尾兩端的形狀過渡段)的隨機橫截面進行切割以供顯微組織觀察和力學性能檢測。經過鑲嵌、打磨、拋光后，采用Kroll試劑侵蝕，制成組織觀察試樣。光學顯微組織觀察在OLYMPUS光學顯微鏡上進行，SEM組織觀察和斷口分析在ZEISS掃描電鏡上進行，室溫拉伸性能測試在GNT100電子萬能材料試驗機上進行。

2 試驗結果與分析

2.1 熱處理對TB18鈦合金組織形貌的影響

圖1為TB18鈦合金激光立體成形單道單層的宏觀組織。可以看出，單道沉積層具有快速凝固組織特征，即沉積層由從熔池底部開始產生外沿生長的柱狀晶組成。這是由于在激光立體成形過程中，高能激光束作用在基材表面上并形成熔池，熔池底部的溫度較高，與溫度較低的基材之間存在較大的溫度梯度，因而初生的柱狀β晶粒將沿著沉積方向外延生長。

圖1 激光立體成形后TB18鈦合金的沉積層宏觀組織

圖2為激光立體成形后的TB18鈦合金沉積層的微觀組織。可以看出，原始β晶界輪廓清晰可見，β晶粒形狀以長條形(柱狀)為主，平均長度和寬度分別約為519 mm和151 mm。此外，還能觀察到沉積層線的存在(見圖2(a)箭頭處)，原始β晶粒可穿過沉積層線生長。對原始β晶粒內部進行局部放大(見圖2(b))，可觀察到沉積態β晶粒內部存在大量針狀次生α相，針狀α相縱橫交錯。這是由于TB18鈦合金激光沉積是一個加熱、冷卻過程，沉積過程中先形成亞穩β晶粒，在隨后冷卻過程中析出針狀次生α相。

圖2 激光立體成形后TB18鈦合金沉積層的OM(a)和SEM(b)圖

圖3為激光立體成形后的TB18鈦合金經不同工藝熱處理后的顯微組織。可以看出，與沉積態相比，隨直接時效溫度升高，原始β晶界輪廓仍然清晰可見，形狀變化不大，但原始β晶粒尺寸略有增大。直接時效溫度低于550 ℃時，仍可觀察到沉積層線，但隨直接時效溫度升高，沉積層線消失。當直接固溶溫度高于830 ℃后，因加熱溫度在β相變點以上，故顯微組織由全β晶粒組成。值得注意的是，在870 ℃以上固溶處理，再進行500 ℃左右的時效處理后，β晶粒內部又會析出大量的次生α相，但原始β晶界變得不清晰。相關研究表明[8]，鈦合金中β相數量和穩定程度與其β穩定系數Kβ有直接關系。Kβ可采用式(1)計算：

圖3 不同熱處理條件下沉積態TB18鈦合金的光學顯微組織

(1)

式中：Cn為合金中元素的質量分數(wt%)；Ckn為該合金元素的臨界質量分數(wt%)。TB18(Ti-5Al-5Mo-5V-6Cr-1Nb-0.5Fe)鈦合金中的β穩定元素是Mo、V、Cr、Nb及Fe，其臨界質量分數分別為11%、14.9%、6.5%、28.4%和5%[8]。根據式(1)可以計算出該合金的Kβ為1.84。一般來說，Kβ=1.5～2.5的β鈦合金為亞穩β鈦合金，這說明TB18鈦合金中的β相為亞穩狀態，在緩冷或時效過程中會析出次生α相。

為進一步觀察β晶粒內部次生α相的形貌尺寸變化，對熱處理后組織進行高倍SEM觀察，如圖4所示。可以看出，500 ℃×2 h直接時效后，β晶粒內部次生α相明顯增多，且尺寸上更加細小。這說明沉積形成的亞穩β相在500 ℃加熱過程中仍然會析出次生α相，同時亞穩β相轉變成飽和度低的穩定β相。隨著加熱溫度的升高，次生α相厚度明顯變大，長度變化不大，但次生α相所占比例會下降；在形貌上，熱處理前次生α相以針狀形貌為主，而熱處理后出現一定數量的片層狀次生α相。當直接固溶溫度高于830 ℃時，β晶粒內部次生α相被溶解，已觀察不到次生α相。當沉積態TB18鈦合金經870 ℃以上固溶和500 ℃左右時效處理后，β晶粒內部又可觀察到大量的次生α相。隨時效溫度從525 ℃增加到550 ℃，次生α相形貌變化不大，均由細片狀為主，但次生α相厚度明顯增加。熱處理對次生α相數量、尺寸形貌的影響必然會導致其力學性能上的差別。

圖4 不同熱處理條件下沉積態TB18鈦合金的掃描電鏡顯微組織

2.2 熱處理對TB18鈦合金力學性能的影響

圖5為激光立體成形TB18鈦合金沉積態和熱處理態的室溫拉伸性能。可以看出，沉積態試樣抗拉強度為1084 MPa，屈服強度為1041 MPa，低于實際生產中對鍛件所要求的抗拉強度≥1300 MPa、屈服強度≥1150 MPa 的指標，而伸長率為5%，高于鍛件所要求>4%的指標。沉積態合金經500 ℃×4 h直接時效后，因析出次生α相，抗拉強度升高至1384 MPa，屈服強度升高至1352 MPa，但伸長率下降至4.5%。增加直接時效溫度至550 ℃，抗拉強度和屈服強度均有所降低(抗拉強度為1330 MPa，屈服強度為1284 MPa)，伸長率有所升高(6%)。繼續升高加熱溫度(>700 ℃)，一方面，因次生α相被溶解，強化效果減弱，抗拉強度和屈服強度降低至指標標準以下，且加熱溫度越高，抗拉強度和屈服強度越低；另一方面，伸長率會隨加熱溫度升高而增大，在加熱溫度為920 ℃時，伸長率可達25.5%。值得注意的是，在經870 ℃×1 h+525 ℃×1 h 和900 ℃×1 h+550 ℃×1 h的固溶時效處理后，因析出次生α相，合金抗拉強度和屈服強度又會顯著增加，同時伸長率下降，其中，870 ℃×1 h+525 ℃×1 h熱處理工藝的強度和伸長率結果均在指標要求以上。直接時效500 ℃×4 h和固溶時效870 ℃×1 h+525 ℃×1 h的熱處理工藝均可滿足指標要求的性能。但從實際生產成本考慮，沉積態的TB18鈦合金的最佳熱處理工藝應取直接時效500 ℃×4 h為宜。

圖5 不同熱處理條件下沉積態TB18鈦合金的室溫拉伸性能

3 結論

1)沉積態TB18鈦合金的宏觀組織以長條形β晶粒為主，晶內由亞穩β相和針狀次生α相組成，且存在貫穿β晶粒的沉積層線。

2)隨直接時效溫度升高，原始β晶粒形狀變化不大，尺寸略有增大，直接時效溫度高于550 ℃時，沉積層線消失，直接固溶溫度高于830 ℃時，顯微組織以全β晶粒組成；次生α相厚度隨直接時效溫度升高而增大，次生α相所占比例下降，在形貌上次生α相從針狀向片狀轉變，直接固溶溫度高于830 ℃后次生α相消失；固溶+時效處理后的次生α相以細層片狀為主，層片尺寸大于直接時效。

3)隨直接時效溫度升高，抗拉強度和屈服強度降低，伸長率增加，500 ℃×4 h直接時效后，抗拉強度達1384 MPa，屈服強度達1352 MPa，伸長率達4.5%，高于指標要求。而合金經固溶+時效處理后析出次生α相，抗拉強度和屈服強度顯著增加，同時伸長率下降，870 ℃×1 h+525 ℃×1 h熱處理后抗拉強度達1301 MPa，屈服強度達1240 MPa，伸長率達5.5%，高于指標要求。