热处理对激光立体成形TB18钛合金组织和力学性能的影响

张 颖，王浩军，陈素明，胡 广，欧阳德来，崔 霞，胡生双

(1.中航西安飞机工业集团股份有限公司，陕西 西安 710089；2.西安铂力特增材技术股份有限公司，陕西 西安 710000；3.南昌航空大学 材料科学与工程学院，江西 南昌 330063)

航空钛合金因具有高比强度、断裂韧性和优良抗疲劳扩展性能等优点，是目前航空飞行器结构件的首选材料[1-4]。TB18钛合金是一种新型高强高韧近β型钛合金，名义成分(质量分数，%)为Ti-5Al-5Mo-5V-6Cr-1Nb-0.5Fe[5]。该合金经热处理后强度高达1400 MPa，显著高于目前大多数已服役的1300 MPa级别的钛合金。大型结构件通常采用整体锻造等传统方法制造，工艺复杂且花费周期长，对制造技术和制造装备的要求较高，成形技术难度大，且零件加工去除量大、数控加工时间长、材料利用率低、生产周期长、制造成本高。

激光立体成形技术(Laser solid forming，LSF)是20世纪90年代发展起来的一项数字化增材制造技术，与传统减材加工方法相比较，该技术无需模具，可实现金属零部件的近净成形[6-9]。目前国内外学者正加快对航空钛合金激光立体成形的研究，例如西北工业大学黄卫东、郭伟国等学者已对TC4、TC11等钛合金激光立体成形工艺开展了广泛研究[8-10]。但是激光增材制造为非平衡凝固过程，容易产生组织应力及热应力，出现变形和开裂等现象，所以激光增材制造的后处理就显得尤为主要。激光增材制造最常见的后处理方式是热处理。通过较为合理的热处理工艺能够达到改善激光增材制造金属构件的显微组织、消除缺陷和优化性能的目的[11]。然而，针对TB18钛合金激光立体成形及其后续热处理的相关研究报道还非常少。

基于此，本文采用激光立体成形技术制备TB18钛合金，并对其进行不同工艺的热处理研究，对比研究了不同热处理工艺条件对其显微组织及力学性能的影响，以期为TB18钛合金激光立体成形构件的实际应用提供理论基础。

1 试验材料及方法

试验所用原材料为TB18钛合金旋转电极球形粉末，其化学成分如表1所示(β相变点约为795 ℃)。在真空干燥箱内进行150 ℃×2 h的烘干处理以去除水分，真空干燥箱气压约0.02 MPa。所用基材为同材质TB18钛合金锻件。使用砂纸对基材表面进行打磨，并用酒精清洗，以去除表面氧化层和油污。

表1 TB18钛合金的化学成分(质量分数，%)

采用BLT-C1000型激光立体成形设备在TB18钛合金表面进行激光立体成形试验。激光沉积成形过程中粉末颗粒经由送粉器、同轴送粉喷嘴输送进入激光熔池内，熔池内粉末颗粒熔化并快速凝固形成熔覆层。沉积过程中采用氩气气氛保护以防止钛合金氧化和夹杂污染，氩气气氛中氧含量低于50×10-6。激光立体成形工艺参数为激光功率3800 W、扫描速度1000 mm/min、送粉量35 g/min、光斑直径φ5 mm、层厚0.5 mm。对激光立体成形后的TC21钛合金试样分别进行不同工艺的热处理，具体热处理制度如表2所示。

表2 激光立体成形TB18钛合金热处理制度

原始沉积态和热处理试样均沿中间部分(排除首尾两端的形状过渡段)的随机横截面进行切割以供显微组织观察和力学性能检测。经过镶嵌、打磨、抛光后，采用Kroll试剂侵蚀，制成组织观察试样。光学显微组织观察在OLYMPUS光学显微镜上进行，SEM组织观察和断口分析在ZEISS扫描电镜上进行，室温拉伸性能测试在GNT100电子万能材料试验机上进行。

2 试验结果与分析

2.1 热处理对TB18钛合金组织形貌的影响

图1为TB18钛合金激光立体成形单道单层的宏观组织。可以看出，单道沉积层具有快速凝固组织特征，即沉积层由从熔池底部开始产生外沿生长的柱状晶组成。这是由于在激光立体成形过程中，高能激光束作用在基材表面上并形成熔池，熔池底部的温度较高，与温度较低的基材之间存在较大的温度梯度，因而初生的柱状β晶粒将沿着沉积方向外延生长。

图1 激光立体成形后TB18钛合金的沉积层宏观组织

图2为激光立体成形后的TB18钛合金沉积层的微观组织。可以看出，原始β晶界轮廓清晰可见，β晶粒形状以长条形(柱状)为主，平均长度和宽度分别约为519 mm和151 mm。此外，还能观察到沉积层线的存在(见图2(a)箭头处)，原始β晶粒可穿过沉积层线生长。对原始β晶粒内部进行局部放大(见图2(b))，可观察到沉积态β晶粒内部存在大量针状次生α相，针状α相纵横交错。这是由于TB18钛合金激光沉积是一个加热、冷却过程，沉积过程中先形成亚稳β晶粒，在随后冷却过程中析出针状次生α相。

图2 激光立体成形后TB18钛合金沉积层的OM(a)和SEM(b)图

图3为激光立体成形后的TB18钛合金经不同工艺热处理后的显微组织。可以看出，与沉积态相比，随直接时效温度升高，原始β晶界轮廓仍然清晰可见，形状变化不大，但原始β晶粒尺寸略有增大。直接时效温度低于550 ℃时，仍可观察到沉积层线，但随直接时效温度升高，沉积层线消失。当直接固溶温度高于830 ℃后，因加热温度在β相变点以上，故显微组织由全β晶粒组成。值得注意的是，在870 ℃以上固溶处理，再进行500 ℃左右的时效处理后，β晶粒内部又会析出大量的次生α相，但原始β晶界变得不清晰。相关研究表明[8]，钛合金中β相数量和稳定程度与其β稳定系数Kβ有直接关系。Kβ可采用式(1)计算：

图3 不同热处理条件下沉积态TB18钛合金的光学显微组织

(1)

式中：Cn为合金中元素的质量分数(wt%)；Ckn为该合金元素的临界质量分数(wt%)。TB18(Ti-5Al-5Mo-5V-6Cr-1Nb-0.5Fe)钛合金中的β稳定元素是Mo、V、Cr、Nb及Fe，其临界质量分数分别为11%、14.9%、6.5%、28.4%和5%[8]。根据式(1)可以计算出该合金的Kβ为1.84。一般来说，Kβ=1.5～2.5的β钛合金为亚稳β钛合金，这说明TB18钛合金中的β相为亚稳状态，在缓冷或时效过程中会析出次生α相。

为进一步观察β晶粒内部次生α相的形貌尺寸变化，对热处理后组织进行高倍SEM观察，如图4所示。可以看出，500 ℃×2 h直接时效后，β晶粒内部次生α相明显增多，且尺寸上更加细小。这说明沉积形成的亚稳β相在500 ℃加热过程中仍然会析出次生α相，同时亚稳β相转变成饱和度低的稳定β相。随着加热温度的升高，次生α相厚度明显变大，长度变化不大，但次生α相所占比例会下降；在形貌上，热处理前次生α相以针状形貌为主，而热处理后出现一定数量的片层状次生α相。当直接固溶温度高于830 ℃时，β晶粒内部次生α相被溶解，已观察不到次生α相。当沉积态TB18钛合金经870 ℃以上固溶和500 ℃左右时效处理后，β晶粒内部又可观察到大量的次生α相。随时效温度从525 ℃增加到550 ℃，次生α相形貌变化不大，均由细片状为主，但次生α相厚度明显增加。热处理对次生α相数量、尺寸形貌的影响必然会导致其力学性能上的差别。

图4 不同热处理条件下沉积态TB18钛合金的扫描电镜显微组织

2.2 热处理对TB18钛合金力学性能的影响

图5为激光立体成形TB18钛合金沉积态和热处理态的室温拉伸性能。可以看出，沉积态试样抗拉强度为1084 MPa，屈服强度为1041 MPa，低于实际生产中对锻件所要求的抗拉强度≥1300 MPa、屈服强度≥1150 MPa 的指标，而伸长率为5%，高于锻件所要求>4%的指标。沉积态合金经500 ℃×4 h直接时效后，因析出次生α相，抗拉强度升高至1384 MPa，屈服强度升高至1352 MPa，但伸长率下降至4.5%。增加直接时效温度至550 ℃，抗拉强度和屈服强度均有所降低(抗拉强度为1330 MPa，屈服强度为1284 MPa)，伸长率有所升高(6%)。继续升高加热温度(>700 ℃)，一方面，因次生α相被溶解，强化效果减弱，抗拉强度和屈服强度降低至指标标准以下，且加热温度越高，抗拉强度和屈服强度越低；另一方面，伸长率会随加热温度升高而增大，在加热温度为920 ℃时，伸长率可达25.5%。值得注意的是，在经870 ℃×1 h+525 ℃×1 h 和900 ℃×1 h+550 ℃×1 h的固溶时效处理后，因析出次生α相，合金抗拉强度和屈服强度又会显著增加，同时伸长率下降，其中，870 ℃×1 h+525 ℃×1 h热处理工艺的强度和伸长率结果均在指标要求以上。直接时效500 ℃×4 h和固溶时效870 ℃×1 h+525 ℃×1 h的热处理工艺均可满足指标要求的性能。但从实际生产成本考虑，沉积态的TB18钛合金的最佳热处理工艺应取直接时效500 ℃×4 h为宜。

图5 不同热处理条件下沉积态TB18钛合金的室温拉伸性能

3 结论

1)沉积态TB18钛合金的宏观组织以长条形β晶粒为主，晶内由亚稳β相和针状次生α相组成，且存在贯穿β晶粒的沉积层线。

2)随直接时效温度升高，原始β晶粒形状变化不大，尺寸略有增大，直接时效温度高于550 ℃时，沉积层线消失，直接固溶温度高于830 ℃时，显微组织以全β晶粒组成；次生α相厚度随直接时效温度升高而增大，次生α相所占比例下降，在形貌上次生α相从针状向片状转变，直接固溶温度高于830 ℃后次生α相消失；固溶+时效处理后的次生α相以细层片状为主，层片尺寸大于直接时效。

3)随直接时效温度升高，抗拉强度和屈服强度降低，伸长率增加，500 ℃×4 h直接时效后，抗拉强度达1384 MPa，屈服强度达1352 MPa，伸长率达4.5%，高于指标要求。而合金经固溶+时效处理后析出次生α相，抗拉强度和屈服强度显著增加，同时伸长率下降，870 ℃×1 h+525 ℃×1 h热处理后抗拉强度达1301 MPa，屈服强度达1240 MPa，伸长率达5.5%，高于指标要求。