TC4钛合金电子束沉积修复工艺研究

2018-11-23

精密成形工程 2018年6期

（南昌航空大学轻合金加工科学与技术国防重点学科实验室，南昌 330063）

钛合金TC4属于α+β两相钛合金，由于其具有可焊接性好、机械加工性能良好、比强度和比刚度高、耐腐蚀性好等诸多优点[1—2]，所以这类合金在航空航天、海洋等领域应用十分广泛。钛合金 TC4零件，在一些恶劣的工作环境中服役一段时间后，极易出现表面腐蚀和划擦、蚀坑、磨损以及表面裂纹甚至断裂等缺陷。这些缺陷的出现，会改变 TC4零件的稳定性，导致其安全性变差[3—4]。同时，由于TC4合金材料具有较高的成本，在航空发动机的制造过程中极易出现划痕和擦伤，如果重新加工或者更换这些有缺陷的零件，会使其成本大大提高[5]，因此，就需要一种先进的修复技术来实现钛合金零件高质量高效率的修复，并且能够从力学性能、几何性能等方面快速有效地恢复其使用性能，从而实现零件寿命的延长，降低生产成本。

目前，运用传统的修复技术修复钛合金[6]热输入量较大，会导致零件的热影响区变大，产生较大的残余应力和应变，使修复试样的性能得不到满足。随着电子束沉积技术不断发展，以及各项技术应用的成熟[7—8]，该项技术逐渐被应用于钛合金零件的成形[9—10]。该技术可以实现对三维立体零件的快速成形，大大提高了材料的使用率，进而降低了产品的生产成本[11—12]，同时，在此基础上发展而成的电子束沉积修复技术（EBF），可以对一些具有复杂形状的特殊零件，或是存在加工误差的零件实现修复。这在很大程度上节省了成本，提高了零件的寿命，这对加工制造业有很大的帮助[13—14]，而目前国内外主要集中于钛合金电子束增材制造的研究，对于钛合金电子束沉积修复却未见相关报道。

文中针对 TC4钛合金零件的服役损伤修复需求，重点以典型沟槽类的损伤类型为研究对象，开展钛合金的电子束熔丝成形修复工艺研究，主要研究内容为开展不同工艺参数的成形修复试验，对修复试样宏观形貌进行分析，获得工艺参数对沉积修复试验的影响规律，为电子束沉积修复试验组织性能分析提供研究基础。

1 方法

选用母材材料为TC4（退火态，尺寸为30 mm×20 mm×10 mm），填充材料为0.8 mm的TC4丝材，试验设备为KS1-PN150KM真空电子束焊机，该设备由电子枪系统、真空系统、电源系统、三维工作台、行进系统以及综合控制系统组成。修复试样为 V形槽试样。试验是在定电压60 kV条件下，研究TC4钛合金电子束成形修复工艺参数（电子束流、送丝速度、成形速度）对修复试样的表面宏观成形及横截面形貌的影响。通过控制变量法，在其他工艺参数不变的情况下，改变其中一种工艺参数进行试验研究分析，归纳出电子束修复工艺参数对钛合金修复试样的影响规律。工艺参数见表1。

表1 TC4电子束沉积修复单道试验参数Tab.1 Parameters for single pass test of TC4 electron beam deposition repair

试验完成后，对所需的修复试样沿沉积方向进行合理切割，然后对试样进行镶嵌、抛光、腐蚀，腐蚀液的体积配比为HF∶HNO3∶H2O=1∶2∶7，腐蚀时间为10 s，观察其宏观形貌，分析TC4钛合金成形修复工艺参数对修复试样的影响规律。

2 结果分析

2.1 电子束流

在送丝速度为20 mm/s，成形速度为240 mm/min不变的情况下，分别选取电子束流为16,18,20 mA，来研究电子束流对修复成形的影响。3组试样的宏观形貌见图1。通过对比上述宏观形貌发现，在其他工艺参数一定时，在电子束流为18 mA和20 mA时，修复试样的外观成形较好，而电子束流为16 mA时，外观成形存在孔洞和外观成形不良，同时在电子束修复过程中发现，使用电子束流为 16 mA时，修复试样每层都熔合不良。初步分析是由于电子束流太小，对修复区的热输入不够，只能使丝材部分熔化，并未与母材产生良好的冶金结合，进而造成修复试样表面熔合不良缺陷的产生。

通过不同电子束流的横截面宏观形貌见图2，可以看出，在其他工艺参数一定时，当电子束流为 16 mA和18 mA时，修复区内部均出现了较大的孔洞，而且随着电子束流的增加，孔洞尺寸逐渐减小。电子束流为20 mA时，热影响区相对较大，修复区成形良好，宏观形貌未见明显的气孔或孔洞缺陷；对于16 mA和18 mA时，宏观形貌中出现的“V”型孔洞，初步分析产生这种缺陷的原因是在其他工艺参数不变的情况下，由于热输入量的不同，导致丝材熔化的流动效果不同，热输入较小时，会造成内部基材与母材熔合不良，进而造成“V”型缺陷。随着热输入的增大，这种缺陷得到改善，当电子束流为20 mA时，并未出现“V”型缺陷。

2.2 送丝速度

送丝速度主要研究对电子束沉积表面形貌的影响。在采用电子束流为 20 mA、成形速度为 240 mm/min的前提下，分别采用15,20,25 mm/s的送丝速度进行试验，修复后的宏观形貌见图3。当送丝速度为20 mm/s时，成形样表面的鱼鳞纹较少，外观成形良好，成形表面连续光滑平整。送丝速度主要是在修复过程中，通过与电子束流、成形速度等因素的配合来影响修复质量，在同样的成形速度和热输入的前提下，当送丝速度为25 mm/s时，单位时间内丝材熔化面积较少，修复成形的试样表面都会产生明显的粗糙，产生鱼鳞纹，成形表面不平整，送丝速度为 15 mm/s时，丝材未能及时熔化与母材结合，使成形表面粗糙不平整，送丝速度过大或过小，都会使修复区产生内部缺陷，对微观组织产生影响，进而影响修复后的性能。

图1 不同电子束流修复试样表面宏观形貌Fig.1 Surface macroscopic morphology of repair specimen at different electron beam current

图2 不同电子束流下修复试样的横截面形貌Fig.2 Cross-sectional morphology of repair specimens at different electron beam current

图3 不同送丝速度下修复试样的表面宏观形貌Fig.3 Surface macroscopic morphology of the repair specimen at different wire feed speeds

2.3 成形速度

成形速度是指电子束沉积修复时，工件相对于电子束光斑的运动速度，成形速度主要是对修复成形的热输入量会产生一定的影响。线能量公式见式(1)[15]。

由式(1)可知，成形速度和电子束流对线能量的影响是相对的。文中是在电子束流为20 mA、送丝速度20 mm/s的条件下，成形速度分别采用180,240,300 mm/min时来研究成形速度对修复成形的影响，3组试验的宏观形貌见图4。根据宏观形貌可知，在其他工艺参数一定时，当成形速度为240 mm/min和300 mm/min时，修复的试样外观成形较为光滑平整，而成形速度为180 mm/min时，修复样表面有密集的鱼鳞纹存在，外观成形不良。

不同成形速度下修复试样的横截面宏观形貌见图5，根据3种不同成形速度修复试样的横截面宏观形貌来看，在一定成形速度的范围内，在同样的修复层数下，随着成形速度的增加，热影响区减小，修复区的余高逐渐变小。过大的成形速度会使修复界面存在气孔缺陷，因此，在其他工艺参数不变的前提下，选用成形速度为240 mm/min较为合适。