HIP溫度對SLM制備TC4鈦合金組織和力學性能的影響

呂周晉，李好峰，車立達，吳戰芳，翟一多，崔曉敏，李向陽

（1.鋼研昊普科技有限公司，北京 100081；2.中國鋼研科技集團有限公司，北京 100081）

TC4鈦合金最初是由美國Illinois技術研究所為飛機結構應用而開發的（α+β）型兩相鈦合金，作為最經典的鈦合金牌號，廣泛應用于航空航天、航海船艦、生物醫療等領域[1-3]。激光選區熔化（Selective laser melting，SLM）技術是3D打印技術的一種，具有開發周期短、加工精度高、可成型零件自由度高等特點[4-6]。然而，由于SLM成型極快的冷卻速率，成型的TC4工件顯微組織中會形成大量針狀α′馬氏體相，降低工件的塑性和韌性，且材料內部存在較大殘余熱應力，導致工件容易開裂和變形。另外，材料內部可能會存在微小的孔洞缺陷，這些缺陷在工件承受載荷時往往會成為裂紋萌生的起始點，加速了工件的疲勞失效。針對上述問題，國內外專家學者從調控SLM成型參數和優化后續熱處理工藝兩個方面進行了大量研究[7-9]。然而，普通熱處理無法消除材料內部微小孔洞等缺陷。熱等靜壓技術（Hot isostatic pressing，HIP）可以顯著改善工件組織，消除內部孔隙，提升材料綜合力學性能，特別是疲勞性能。目前，在航空航天等領域的高附加值精密鑄件都需要進行熱等靜壓處理，該方法已成為國際通用做法和必要的工序[10]。熱等靜壓處理是一個高溫、高壓共同作用的過程，溫度和壓力必然會對材料的相變和界面反應產生影響，熱等靜壓處理過程中各工藝參數都起著至關重要作用。目前國內外關于熱等靜壓制度對SLM成型TC4鈦合金性能影響的研究報道還較少。基于上述認識，本文選擇SLM成型的TC4鈦合金為研究對象，研究不同熱等靜壓工藝參數對TC4鈦合金微觀組織及力學性能的影響規律，為SLM成型的TC4鈦合金件熱等靜壓處理工藝制定提供參考。

1 試驗材料及方法

以電極感應熔煉氣霧化技術制備的TC4鈦合金粉末作為SLM成型材料，粉末粒徑范圍為φ15～75μm，平均粒徑φ39.4μm，化學成分如表1所示。TC4鈦合金SLM成型采用BLT-S310設備，以體積分數為99.9%的高純氬氣為保護氣體，Z軸為成型方向，成型件尺寸為φ12 mm×65 mm，具體成型參數見表2。成型后試樣用RD-80熱等靜壓設備進行熱等靜壓處理，溫度分別為（910、930和950℃），壓力為110 MPa，保溫保壓時間為2 h。對經打磨和拋光的試樣用體積比為HF:HNO3:H2O=1:2:17的Kroll試劑進行金相腐蝕，采用Leica Dmirm光學顯微鏡和FEI Quanta 650 FEG型掃描電鏡觀察和分析試樣的微觀組織，采用ML-204型密度測量儀利用阿基米德排水法測量TC4鈦合金的密度。參照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》在ETM105D型微機控制電子萬能試驗機上測試試樣的室溫拉伸性能，借助德國蔡司EVO25型掃描電鏡觀察拉伸試樣的斷口形貌。

表1 TC4鈦合金粉末的化學成分（質量分數，%）Table 1 Chemical composition of the TC4 titanium alloy powder（mass fraction，%）

表2 TC4鈦合金SLM成型參數Table 2 SLM forming parameters of the TC4 titanium alloy

2 試驗結果及分析

2.1 密度

TC4鈦合金的密度測試結果如圖1所示。根據計算，TC4鈦合金在理論密度約為4.42 g/cm3。本次試驗SLM成型后TC4鈦合金密度已達4.394 g/cm3，致密度約為99.4%。經過3種不同熱等靜壓處理溫度后，材料密度都達到4.415 g/cm3以上，致密度超過99.8%，近乎達到理論密度。熱等靜壓處理能愈合TC4鈦合金材料內部微小孔隙缺陷，進一步提高SLM成型TC4鈦合金材料的致密度。

圖1 不同溫度熱等靜壓處理TC4鈦合金的密度Fig.1 Density of the TC4 titanium alloy treated by hot isostatic pressing at different temperatures

2.2 微觀組織

SLM成型后TC4鈦合金試樣的微觀組織如圖2所示，橫截面和縱截面都未觀察到明顯的孔隙缺陷存在，與密度測試結果相符。圖2展示了典型的SLM成型TC4鈦合金的微觀組織結構，橫截面和縱截面都可以觀察到明顯的初生β晶粒邊界，橫截面微觀組織由晶粒尺寸約110μm左右的等軸狀初生β晶粒組成，縱截面微觀組織由呈外延生長的柱狀初生β晶粒組成。柱狀晶的寬度與橫截面等軸晶的晶粒尺寸相當，Kumar等[7]認為這個尺寸是由激光掃描間距決定的。初生β晶粒內部交錯分布著不同取向的針狀α′馬氏體相，在SLM成型過程中，當激光束移開某一熔池單元時，SLM熔池以超快冷卻速率和極高溫度梯度由液相轉變為初生β相。當溫度降低到β相轉變溫度以下時，由于冷卻速率遠快于馬氏體臨界冷卻轉變速度，初生β相轉變為細針狀α′馬氏體相[11]。從SLM成型后TC4試樣的SEM圖像中可以觀察到，在部分較粗大針狀α′馬氏體相內分布著白色納米點簇。據Ali等[12]報道，這種納米點簇為納米級β相，SLM成型過程中，在純Ar氣條件下，納米β相在初生馬氏體間形核生長。

圖2 SLM成型態試樣的微觀組織Fig.2 Microstructure of the specimen formed by SLM

圖3為不同熱等靜壓處理溫度試樣微觀組織形貌。由于熱等靜壓處理都是在α+β兩相區之間完成，經3種熱等靜壓制度處理后TC4鈦合金的顯微組織都由α相和β相組成，呈現出相近的形貌。隨著熱等靜壓處理溫度的升高，板條狀α相發生粗化，短棒狀α相增多。經過910℃-110 MPa-2 h熱等靜壓處理后，TC4鈦合金試樣的α相呈現板條結構，少量呈現短棒狀結構。根據不同晶粒內α相的取向，可識別出初生β晶粒的邊界。經過930℃-110 MPa-2 h熱等靜壓處理后，α相粗化加重，α相數量減少。經過950℃-110 MPa-2 h熱等靜壓處理后，β相數量明顯增多，α相進一步粗化。與晶內α相相比，在初生β晶粒邊界位置的α相較粗大。

從SEM分析結果可以看出，試樣中的顯微組織中存在兩種β相，一種是在α相邊界形成的不規則微米級β相，另一種是在α板條結構內部彌散分布的納米點狀β相。SLM成型后試樣顯微組織最初由針狀α′馬氏體相組成。在α+β兩相區熱等靜壓處理過程中，α相沿馬氏體相邊界成核，V原子被排出，導致β在α相邊界處形成[13]。隨著熱等靜壓處理溫度的升高，α板條粗化，β相也隨之長大。從圖3（f）可以觀察到，經過950℃-110 MPa-2 h熱等靜壓處理后的較大β相等效直徑達到φ2.4μm。運用圖像分析軟件ImageJ對SEM圖像進行處理，計算得到不同熱等靜壓溫度處理后β相含量。結果表明，隨著熱等靜壓處理溫度的升高，β相含量升高。3種制度熱等靜壓處理后β相的體積分數分別為10.29%、11.93%和18.6%。

圖3 不同溫度熱等靜壓處理TC4鈦合金的微觀組織Fig.3 Microstructure of the TC4 titanium alloy treated by HIP at different temperatures

2.3 拉伸性能

圖4為SLM成型TC4鈦合金不同溫度熱等靜壓處理后的室溫拉伸性能。所有試樣的力學性能都滿足ASTM F2924-14“Standard specification for additive manufacturing Titanium-6 Aluminium-4 vanadium with powder bed fusion”標準中的要求（Rm≥895 MPa、Rp0.2≥825 MPa、A≥10%）。SLM態試樣的抗拉強度為1226 MPa，屈服強度為1103 MPa，斷后伸長率為10.3%，斷面收縮率為41%。經910℃-110 MPa-2 h的熱等靜壓工藝處理得到的TC4鈦合金獲得最優的強韌性匹配，抗拉強度為1000 MPa，屈服強度為930 MPa，斷后伸長率和斷面收縮率分別達到16.5%和46%。隨著熱等靜壓處理溫度升高，材料的抗拉強度和屈服強度呈現降低的趨勢，斷面收縮率也呈下降趨勢。

圖4 熱等靜壓溫度對SLM成型TC4鈦合金拉伸性能的影響Fig.4 Effect of HIPtemperature on tensile properties of the TC4 titanium alloy formed by SLM

圖5為不同熱等靜壓處理溫度下SLM成型TC4鈦合金的斷口形貌。SLM成型后未經熱等靜壓處理的TC4試樣斷口形貌表現為河川狀穿晶解理與少量韌窩并存的混合斷裂機制。不同熱等靜壓處理溫度后TC4試樣的斷口形貌中都可觀察到明顯的深而密的韌窩，表現出典型的韌性斷裂特征，表明材料具有較好的韌性。

圖5 不同溫度熱等靜壓處理TC4鈦合金的斷口形貌Fig.5 Fracture morphologies of the TC4 titanium alloy treated by HIP at different temperatures

TC4鈦合金的力學性能主要由α′相、α相和β相的含量和組織形貌有關[14]。SLM成型后TC4鈦合金組織內的針狀馬氏體α′相具有強度高、塑性低的特點。經過熱等靜壓處理后，如預期結果一致，材料的抗拉強度和屈服強度都有所降低，斷后伸長率和斷面收縮率升高，表明材料的塑性提高。通過910℃-110 MPa-2 h的熱等靜壓處理后，材料的斷后伸長率從SLM態的10.3%升高到16.5%，提升60%。由于熱等靜壓處理是在β相轉變溫度以下的α+β兩相區完成，亞穩態的針狀α′馬氏體相分解成α+β網籃結構的穩定組織，導致材料的強度降低，塑性提高。在熱等靜壓處理過程中，還發生著α相向β相轉變以及α相和β相的粗化。910℃熱等靜壓處理試樣的細小α相較多，受力變形后可快速分散，而不至于在個別晶粒產生應力集中，因此表現出較好的韌性[15]。隨著熱等靜壓處理溫度的升高，一方面α相含量減少，β相含量增加，材料的塑性提高；另一方面，α相和β相粗化，板條α相之間相互吞并長大，塑性降低。板條α相尺寸增大，導致變形滑動距離增加，最終導致材料的強度降低[15]。

3 結論

本文以SLM成型的TC4鈦合金為研究對象，研究了在β相轉變溫度以下3種溫度熱等靜壓處理工藝對材料微觀組織和力學性能的影響，得出以下結論。

1）SLM成型后TC4鈦合金密度為4.394 g/cm3，熱等靜壓處理后，材料密度達到4.415 g/cm3以上，致密度超過99.8%，近乎達到理論密度。

2）熱等靜壓處理后，TC4鈦合金的組織由α相和β相組成。隨著熱等靜壓處理溫度的升高，α相含量降低并粗化成短棒狀，β相含量增多并且發生一定粗化。

3）TC4鈦合金的力學性能主要與α′相、α相和β相的含量和組織形貌有關。隨著熱等靜壓處理溫度升高，材料的抗拉強度和屈服強度呈現降低的趨勢，斷面收縮率也呈下降趨勢。經910℃-110 MPa保溫2 h的熱等靜壓制度處理的TC4鈦合金獲得最優的強韌性匹配，抗拉強度為1000 MPa，屈服強度為930 MPa，斷后伸長率和斷面收縮率分別達到16.5%和46%。