热处理对激光选区熔化钛合金组织和力学性能影响

李庆棠，陈秀思，王方彬

（北京航天新风机械设备有限责任公司，北京 100854）

Ti-6Al-4V钛合金因具备密度小、比强度高等优势，被普遍用在船舶海洋汽车生产等行业当中。

激光选区熔化技术（Slective laser melting，SLM）是增材制造技术中的一种，该制备工艺能够避免传统加工方法存在的缺陷，是近几十年迅速发展的一种快速原型制造技术。

钛合金通常不能通过各种热机械处理来改变或控制显微组织，热处理几乎是改善钛合金显微组织、提高力学性能的唯一途径[1]。钛合金的性能与它的微观组织形貌有着密不可分的联系。而微观组织取决于热处理工艺，因此研究钛合金热处理工艺对组织和性能的影响具有重要意义[2]。

1 实验

为了探究不同热处理工艺，对SLM成形TC4合金试样的显微组织力学性能的影响，将试样在不同热处理工艺下进行退火处理（如表1所示），然后对试样进行显微组织观测，并用万能实验机进行力学性能检测[3]。图1为拉伸试棒示意图。本实验用VHX-600E的光学显微镜进行金相组织观察，其中腐蚀剂的配比为：硝酸：氢氟酸：水为3：1：16，腐蚀时间为50S；利用BrukerD8型X射线衍射分析仪测试TC4成形试样热处理后试样的相组成；利用CMT5105微机控制电子万能实验机对热处理前后的试棒进行室温拉伸试验。

图1 拉伸试棒示意图

表1 热处理工艺实验参数

2 结果和讨论

2.1 热处理制度对物相分布的影响

由图2可知，当退火温度在850℃以下时，β相含量没有明显变化，当退火温度为1050℃时，α相含量升高，这可能是马氏体在该温度下分解成α相和β相。当退火温度650℃、保温时间不同时，可以看出β相的含量随着保温时间的不同没有明显变化；退火温度在850℃时，显微组织也呈现出相似的变化。这可能是因为650℃和850℃的退火温度都在β相变点温度以下，相含量对保温时间不敏感。

图2 XRD测得的不同热处理制度下各相含量

2.2 热处理制度对显微组织的影响

图3为不同热处理下SLM成形TC4试样的显微组织。与直接沉积态相比，退火后晶界仍保持有较好的连续性，但晶界处α集束的数量减少。随退火温度升高，条状α相的数量先增加后减少再增加，但是可以看出退火温度在850℃以下时，α相的变化较小。当退火时间为3h，退火温度自450℃升高到650℃时，条状α相的宽度基本不变，但数量略有增加；退火温度850℃时条状α相的数量宽度变化较小，数量略有减小，这可能是因为该温度接近β相转变温度，在该温度下析出了少量β相，析出的β相在一定程度上会阻碍α相的生长；退火温度1050℃时可清楚观察到原始的 β晶界，板条状α相的数量明显增加，这可能是因为该退火温度下，加热使马氏体组织发生分解，分解成α相和β相。在650℃下，随着保温时间的增加，条状α相的宽度逐渐增加，但是保温时间在2h、4h、6h时，其显微组织种条状α相的宽度逐渐变宽；从保温时间从6h增加到8h，其显微组织中条状α相宽度变宽且发生积聚，形成等轴α相。退火温度在850℃时，显微组织也呈现出相似的变化。这可能是因为650℃和850℃的退火温度都在β相变点温度以下，保温时间对温度不敏感，对试样微观组织形貌影响较小。

图3 不同热处理制度下SLM成形TC4钛合金试样显微组织

2.3 热处理工艺对SLM成形TC4合金试样拉伸性能的影响

由表2可知，随着退火温度的升高，试棒的抗拉强度逐渐降低，这主要是因为随着退火温度的升高，β相增多，α相减少，使组织的平衡与稳定性遭到破坏，从而降低了试样的力学性能；试棒的断后伸长率随着退火温度的升高呈现先上升后下降的趋势，这主要是因为温度的升高使试样组织细化，提高了其断后伸长率，而在1050℃出现的断后伸长率的下降，可能是因为该温度较高，造成晶粒粗化，从而使得试棒的断后伸长率降低。

表2 不同热处理制度下的试棒的拉伸试验结果

从表2中可知，1号试棒的名义抗拉强度1269MPa最高，但是其断后伸长率只有6%，2号试棒的名义抗拉强度1129MPa，比1号略低，但是其断后伸长率为11%。所以综合来看，2号试棒的力学性能最好。

3 结论

本文对不同热处理制度下的激光选区熔化成形TC4的微观组织、物相组成和力学性能进行了研究。结果表明：当退火温度低于850℃时，试件中β相的含量没有明显变化，当退火温度高于850℃时，β相含量减少，这可能是因为在该温度下试件中马氏体相分解出的α相阻碍了β相的生长；当保温时间不同时，可以看出β相的含量随着保温时间的不同没有明显变化，这可能是因为该退火温度没有达到β相变温度，没有β相析出，结果表明，在650℃、保温3h、温升速率10℃/min的热处理工艺下，试棒的名义抗拉强度是1129MPa，断后伸长率11%，力学性能最好。