高温工况用激光选区熔化TC4钛合金组织和力学性能研究

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）

0 引言

TC4属于(α+β)型钛合金，具有良好的综合力学性能。尤其在高温条件下能够保持较好的强度和较低的热导率以及耐化学腐蚀性能[1]。TC4钛合金被广泛应用于航空航天、化工、船舶等领域[2]，用于制造耐高温结构件，如耐高温承力结构、高温反应器壳体、燃料储存容器、高温流体管路以及各类腐蚀性反应容器和管路等。

近年来，随着工程设计的不断完善，具有轻量化特点的各类高温承力TC4钛合金结构设计方法被逐步采用，而传统的结构加工方法不能满足这些轻量化结构的制造要求。激光选区熔化技术（Selective Laser Melting，SLM）作为增材制造技术中重要的一类制造方法，可以实现复杂结构的快速成型，是解决现有加工难题的主要途径[3]。

增材工艺状态下的钛合金组织特征和缺陷特征直接影响其力学性能，进而影响结构的力学指标。因此研究TC4钛合金激光选区熔化条件下的组织特征及对力学性能的影响规律具有工程应用价值。

1 实验

试件成形过程在华曙高科FS271M 激光3D 打印设备上进行，以打磨擦洗后的TC4 钛合金板为沉积基板，制备时采用氩气作为保护气体，采用的打印成型工艺参数为：激光功率225W，扫描速度1000mm/s，层厚30μm。

本文中采用的成型粉末为钛合金球形粉末TC4，粉末粒度为15～53μm，化学成分如表1所示。

表1 TC4的化学成分表

为了研究沉积态TC4 合金的显微组织，用VHX-600E 的光学显微镜进行金相组织观察。本文从试样尺寸为10×10×10mm的小方块中切割出一小部分试样，再用XQ-1 金相镶嵌机将其镶成直径为30mm、高为12mm 左右的圆柱，再用金相砂纸磨至镜面，然后再对金相试样进行腐蚀，腐蚀液为凯勒试剂，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;

通过线切割机将试样切割成合适的尺寸，用砂纸将试样打磨光滑，再用BrukerD8型X射线衍射分析仪测试TC4成形试样的物相组成。

拉伸试样按照GB/T228.1-2010标准制备，其尺寸如图1所示，试棒制备3个。拉伸实验在CMT5105微机控制电子万能实验机上进行，加载速度为2.5mm/min，实验结束条件为试棒断裂。实验过程中采集试棒拉伸时的横梁拉力，用引伸计测量试件对应的变形量，并在实验结束后测量试棒的断后伸长率及断面收缩率。

图1 拉伸试棒示意图

2 结果和讨论

2.1 沉积态TC4的物相分析

如图2所示为沉积态SLM成型TC4合金试样的XRD图谱。相对于α钛和β钛标准卡片，1#、2#、3#试样均含有α钛和β钛，其中α相为密排六方结构，β相为体心立方结构，基材衍射峰由β-Ti相和α-Ti相组成，左侧第一个衍射峰为β相，其余衍射峰为α相，但是α相的最强峰相对于标准卡片有向右偏移，这说明沉积态TC4 合金中存在马氏体结构。由衍射峰强度判断，TC4钛合金中α相含量较多，β相含量较少，同一成型参数下的不同试件的β相峰值强度略有不同。

图2 沉积态SLM成型TC4合金试样的XRD图谱

2.2 沉积态钛合金的显微组织

图3 是不同放大倍数下沉积态TC4 合金的显微组织，金相组织中的亮色组织为α 相，暗色组织为β 相。由图3 可以看出沉积态TC4 钛合金中除了α 相和β 相外，还存在马氏体。这是因为，在SLM 成形时，TC4 钛合金在快速冷却过程中通过非扩散切变形成马氏体相[4]。

图3 左为100倍镜下的TC4金相组织；右为500倍镜下的TC4金相组织

2.3 SLM成型TC4合金试件的拉伸性能

按照GB/T228.1-2010标准对试棒进行拉伸试验，试验结果取3 次实验的平均值。沉积态TC4 合金的拉伸性能如表2 所示，其抗拉强度为1197MPa，断后伸长率8%。相比于TC4钛合金铸件标准（抗拉强度910MPa，断后伸长率10%），激光选区熔化成型TC4 钛合金的抗拉强度明显提升，但是塑性略有下降，这可能是因为在激光选取熔化过程中，TC4钛合金经历一个急冷急热的过程，在此过程中，组织中的各相含量发生了明显变化。

表2 SLM成型TC4合金的拉伸性能

3 结论

本文对激光选区熔化制备的TC4 钛合金的显微组织和力学性能进行了研究。结果表明：TC4 钛合金为α+β 两相合金，成形件原始α+β 晶内的微观组织主要由具有一定取向的针状马氏体组成，这可能是因为，在SLM成形时，TC4钛合金在快速冷却过程中通过非扩散切变形成了马氏体相；SLM沉积TC4合金的抗拉强度为1197MPa，断后伸长率为8%，相比于TC4铸件标准（抗拉强度910MPa、断后伸长率10%），强度明显提升，塑性略有降低，这可能与TC4钛合金在加工过程中经历的急冷急热导致的组织变化有关。