激光選區熔化成形TC4鈦合金激光焊接頭組織與力學性能

田天 崔麗 賀定勇 吳旭 郭星曄

摘要：對3mm厚激光選區熔化成形（SLM）TC4鈦合金對接接頭進行了激光焊接工藝試驗，研究了80J/mm和100J/mm兩種能量輸入對接頭焊縫成形、微觀組織及接頭力學性能的影響。結果表明，在兩種不同焊接能量輸入條件下，激光焊接SLM成形TC4鈦合金獲得良好的焊縫成形，焊縫區的平均顯微硬度分別為388.7HV及403.3HV，高于SLM成形TC4鈦合金母材（370.6HV），接頭的抗拉強度分別為1027MPa及1018MPa，略低于母材（1201MPa）。

關鍵詞：激光選區熔化；TC4鈦合金；激光焊接；接頭組織；力學性能

中圖分類號：TG456.7文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2022.04.013

基金項目：航空科學基金（20200042075001）

鈦合金作為一種輕金屬合金材料，具有高比強度、高比模量、高韌性、耐蝕性，以及易加工等優良的綜合性能，廣泛應用于航空航天及其發動機結構中[1]。隨著飛機輕量化需求的不斷增長，航空發動機零件的形狀和結構越來越復雜，對鈦合金結構輕量化及性能提出了更高要求，傳統的制造技術已經難以滿足對鈦合金精密復雜零件的需求。增材制造（additive manufacturing， AM）相對于傳統制造技術具有顯著的優勢。AM技術的出現解決了鈦合金精密構件制造的難題，鈦合金AM成形材料用量和所占比例不斷增大，已成為國內外航空鈦合金先進制造領域的研究熱點[2]。激光選區熔化（selective laser melting， SLM）技術具有成形精度高、表面質量好及可制造形狀復雜零件等優勢，可有效減少傳統制造工藝中焊縫和零部件數量，從而實現高可靠性、集約化和輕量化制造，尤其適合復雜結構零件的精密快速制造[3]。然而，受到粉床AM成形腔尺寸的限制，或者復雜結構件的多功能需求，或者基于AM直接成形大尺寸結構件的成本考慮，大尺寸復雜結構AM成形材料往往難以直接實現。為此，很多情況下都要涉及將單獨的AM成形材料，或者將AM成形材料與其他傳統材料的連接問題。焊接作為一種優質、高效的連接手段成為首選。同時，這些AM成形材料在后續加工和使用過程中，可能會出現零件損傷失效的情況，如整體報廢或更換，會造成極大的材料資源浪費，增加生產成本。因此，往往采用焊接技術進行有效修復，恢復其使用性能，延長使用壽命。綜上可見，采用焊接技術對AM成形材料進行連接或修復具有迫切需求。與常規焊接方法相比，激光焊能量密度高，加熱集中，對材料熱損傷小，焊縫深寬比大，焊接接頭殘余應力低，而且焊接精度高，可顯著減少焊后加工量，焊接接頭質量可與電子束焊媲美，卻無須真空環境，是21世紀先進的制造技術之一[4]。國內外學者十分重視激光焊在航空結構制造中的應用研究，并視其為在航空結構制造領域具有發展前景的焊接技術[5]。

目前，國內外鈦合金AM成形材料的焊接研究尚處于剛剛起步階段，對AM成形材料的焊接方面的研究報道有限。H. Yu等[6]進行了TC4鈦合金SLM件與鍛件以及SLM件與SLM件的激光焊接，去應力退火的SLM成形TC4鈦合金可以獲得良好的激光焊接性能，且SLM件之間的激光焊接參數選擇范圍更加廣泛。W. W. Wits等[7]進行了TC4鈦合金SLM件與鍛件脈沖激光焊接研究，要獲得相同的焊縫面積，SLM成形TC4鈦合金相對于鍛造TC4鈦合金需要更大的激光功率。Y. Y. Sun等[8]進行了TC4鈦合金EBM件與鍛件的激光焊接工藝探索。結果表明，EBM成形TC4鈦合金母材中的氣孔與未熔合缺陷造成了焊接接頭力學性能的下降。T.Rautio等[9]研究了不同打印層厚度參數對TC4鈦合金以及激光焊接頭拉伸性能的影響：采用50μm和30μm厚度打印的TC4鈦合金SLM件延伸率分別為9%和15%，激光焊接頭的拉伸強度沒有降低，但接頭延伸率顯著降低，且母材SLM件的拉伸性能決定了接頭的性能。

可見，目前研究人員大多探索AM成形TC4鈦合金以及TC4鈦合金AM成形件與傳統制造TC4鈦合金激光焊接的可行性，而關于激光焊接參數對SLM成形TC4鈦合金的激光焊接接頭組織和力學性能方面的研究則鮮見報道。本文對SLM成形的TC4鈦合金薄板對接接頭進行激光焊接工藝試驗，探索焊接能量輸入對SLM成形TC4鈦合金接頭焊縫成形、微觀組織和接頭力學性能的影響。

1試驗方法

焊接母材為厚度3mm的SLM成形TC4鈦合金薄板。將粒徑15～53μm TC4鈦合金粉末采用EOS M-280型SLM設備制備，采用阿基米德排水法測量其致密度為99.92%。

2結果與討論

2.1母材形貌及組織

圖2為SLM成形TC4鈦合金宏觀組織和微觀組織的三維形貌。在XOY平面呈現了等軸晶形貌，如圖2（b）所示。其微觀組織為α+β雙相組織，在β-Ti晶粒內分布著大量束狀針狀α？馬氏體[10]，如圖2（c）所示。而在YOZ和XOZ方向，也就是打印件的兩側面，同樣呈現了粗大的柱狀晶，如圖2（d）所示。β- Ti晶粒呈現連續外延生長，并貫穿多個微熔池[11]，且在柱狀β- Ti晶粒內部分布著網籃狀針狀α？-Ti馬氏體[12]，如圖2（e）所示。

2.2接頭橫截面形貌及微觀組織

圖3為兩種焊接能量輸入條件下SLM成形TC4鈦合金激光焊接頭橫截面形貌。可見，兩種焊接能量輸入下均獲得了全熔透焊縫，呈沙漏形，帶有適當的余高，橫截面中未見氣孔、裂紋等缺陷。在兩種焊接能量輸入情況下，與傳統TC4鈦合金焊接接頭相似，SLM成形TC4鈦合金接頭產生了焊縫、熱影響區（HAZ）和母材三個組織特征明顯不同的區域[13]。兩種不同的焊接能量輸入產生的焊縫及熱影響區形狀尺寸有顯著差異。

對比圖3（a）和圖3（b）發現，在100J/mm焊接能量輸入下獲得的焊縫和HAZ面積明顯大于能量輸入為80J/mm接頭，焊縫的熔寬以及HAZ寬度更大。因此，能量輸入較大，焊縫面積和HAZ較寬。此外，兩個焊縫產生了粗大的β柱狀晶，這是由于鈦合金導熱性較差、β相極易過熱且快速長大，在熔合線附近母材通過聯生結晶、外延生長形成[14]。

圖4為兩種不同焊接能量輸入激光焊接SLM成形TC4鈦合金接頭不同區域的微觀組織形貌。如圖4（a）和圖4（c）所示，在焊縫區，焊縫上部主要以粗大β柱狀晶為主，β晶粒內部分布著大量針狀α？馬氏體，這是因為在焊縫金屬冷卻過程中，在β發生馬氏體相變形成的；β柱狀晶內部的α？馬氏體呈束狀或交錯成網籃狀，這種組織的形成是由于鈦合金焊接過程中在較高溫度的β區停留時間不足、冷卻速度過快所致[15]。對比圖4（a）與圖4（c）發現，隨著焊接能量輸入的降低，柱狀晶的寬度明顯變窄，β晶粒尺寸明顯細化。如圖4（b）與圖4（d）所示，在HAZ，受到焊接能量輸入的作用，β晶粒呈等軸狀，組織相對于母材中產生了明顯的粗化。

2.3力學性能

2.3.1接頭顯微硬度

對SLM成形TC4鈦合金的三維方向進行了顯微硬度測試，平均硬度值在361.9～375HV之間，三維方向硬度值差異較小。此數值與傳統鍛造TC4鈦合金[16]硬度相比明顯提高，主要原因為SLM成形TC4鈦合金組織中含有針狀α？馬氏體，其硬度值高于傳統鍛造TC4鈦合金的α+β相[12]。

對兩個不同能量輸入接頭不同區域進行了顯微硬度測試，結果如圖5所示。由圖可見，兩種接頭焊縫區的硬度分別為388.7HV和403.3HV，HAZ硬度分別為373.9HV和377.8HV，母材硬度為370.6HV。相對于母材，兩種焊縫金屬具有更高的硬度，這是由于β柱狀晶中分布著大量的針狀α？馬氏體[17]，而HAZ硬度與母材接近。

2.3.2拉伸性能及斷口分析

SLM成形TC4鈦合金母材以及兩種能量輸入條件下接頭的拉伸性能見表1。可見，SLM成形TC4鈦合金母材的拉伸強度與斷后延伸率與傳統鍛造TC4鈦合金[16]一致。焊接后，接頭的抗拉強度和屈服強度分別為1027MPa和1018MPa，相對于母材略有降低。然而，延伸率卻從9.5%降低到0.5%，表明SLM成形TC4鈦合金接頭的室溫塑性顯著降低。可見，SLM成形TC4鈦合金激光焊接后，接頭的拉伸強度略有降低，而室溫塑性顯著低于母材。

采用SEM分別對母材和焊接接頭拉伸斷口形貌進行了觀察，如圖6所示。母材SLM成形TC4鈦合金拉伸斷裂試樣的低倍斷口形貌如圖6（a）所示，其斷口由韌窩和撕裂棱組成，表現為韌-脆混合斷裂特征，基體上有較多的等軸韌窩，這是母材具有較高的延伸率的原因。焊接后，兩種接頭拉伸后均斷裂于焊縫，拉伸斷口形貌如圖6（b）與圖6（c）所示。可見，斷口表面呈現沿晶脆性斷裂特征，沿晶界產生了微裂紋，具有少量較淺的韌窩，然而微觀塑性變形對提高接頭強度影響不大。

3結論

通過研究，可以得出以下結論：

（1）在80J/mm和100J/mm兩種焊接能量輸入下，SLM成形TC4鈦合金激光焊接能夠獲得良好的焊縫成形，焊接能量輸入從80J/mm增加到100J/mm，焊縫橫截面面積增大，焊縫區的熔寬增加了約20%。因此，隨著焊接能量輸入增加，焊縫區的熔寬增加。

（2）SLM成形TC4鈦合金激光焊焊縫金屬為粗大的β柱狀晶，且柱狀晶內部存在大量針狀α？馬氏體。

（3）在能量輸入為80J/mm和100J/mm條件下，SLM成形TC4鈦合金激光焊縫顯微硬度分別為388.7HV和403.3HV，高于母材（370.6HV），這是因為焊縫金屬β柱狀晶內形成了大量針狀α？馬氏體。

（4）SLM成形TC4鈦合金母材的抗拉強度為1201MPa，斷后延伸率為9.5%，與傳統鍛造TC4鈦合金一致。激光焊接后，接頭的抗拉強度和屈服強度相對于母材略有降低，而延伸率則從9.5%降低到0.5%。

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Microstructure and Mechanical Properties of Laser Welded Joints of SLM TC4 Alloys

Tian Tian，Cui Li，He Dingyong，Wu Xu，Guo Xingye

Institute of Welding and Surface Engineering Technology，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China

Abstract： Laser welding of TC4 alloys prepared by selective laser melting （SLM） is carried out on butt joints of 3mm thickness. This paper studies the influences of two energy inputs of 80J/mm and 100J/mm on the weld appearance， microstructures and mechanical properties of the welded joints. The results show that the laser welding of SLM TC4 alloys achieves sound welded shape under the conditions of two welding energy inputs. The average microhardness value of the weld metal are 388.7HV and 403.3HV， respectively， which are both higher than that of BM. The ultimate tensile strength of the welded joints is 1027MPa and 1018MPa， respectively， which are a little lower than that of BM （1201MPa）.

Key Words： selective laser melting； TC4 alloys； laser welding； microstructure； mechanical properties