激光3D 打印TA15 钛合金相变点的测定

2022-06-01郭连平侯廷红陈凌瀚李小林冯志岛段俊菲

信息记录材料 2022年4期

郭连平，侯廷红，陈凌瀚，李小林，李丽，冯志岛，段俊菲

（1 成都航利< 集团> 实业有限公司四川成都 611930）

（2 成都金陵能源装备有限公司四川成都 611930）

0 引言

TA15 钛合金属于高Al 含量的近α 型钛合金，其强化机理是在基体中通过α 稳定元素进行固溶强化，合金中加入的中性元素以及β 稳定元素可提高制造成具有高温强度、低温疲劳性能良好和焊接性优异等优点，广泛应用于航空发动机的各类零部件中，如低压压气机、机匣、高压转子叶片等低温部件。同时，由于合金兼备α 型、α+β 型钛合金的众多优点，从而使得TA15 钛合金在航天领域、高端装备行业中也应用广泛[1-2]。

3D 打印作为前沿的数字制造技术，受到了航空航天领域研究者的广泛关注。30 年前，发达国家的航空航天部门就开始致力于该技术的应用，目前已经广泛应用于F-22、F-35等最先进的战斗机中。近年来，随着我国航空工艺的崛起，3D 技术在我国战机的零部件中得到大量的应用，使我国成为全球第二个能实现利用3D打印技术制造飞机零部件的国家，迈入3D 打印技术的第一方阵行列。激光3D 技术作为先进自由成形技术，特别是在对性能要求高、结构复杂以及对金属零件致密性要求极高的产品领域中，是唯一无需模具制造而快速成型的方法。3D 打印技术具有制造周期短、成本低、适应性强、响应快速等优点，在钛合金、超高强度钢、高温合金等不易成型加工及传统工艺成本高等领域具有巨大的经济价值和社会效益。激光3D 打印的零件因组织为亚稳定相，因此工程应用过程中需要进一步改善其组织和提高综合力学性能，那么就需要制度合理可行的热处理工艺制度。

当前国内已有众多院所开展过钛合金3D 打印，并且在实验室已经取得阶段性的成果。该技术目前在我国尚未能突破装机使用，技术研发向工程应用转型还有一定的差距。但是，国外（尤其俄罗斯）已将3D 打印的钛合金零件开始在最先进的航空发动机上使用。因此，开展钛合金3D 打印的工程应用转型技术显得迫在眉睫，而3D 打印后的零件热处理又是工程应用中的一个关键工序。

钛合金相变点作为关键的工艺参数，在具体生产中，是组织改善、性能提高以及进行不同需求热处理的重要依据[3]。由于合金的成分存在差异，牌号相近的钛合金相变点温度也存在很大差异。激光3D 打印TA15 钛合金作为新技术、新领域的基体材料，但公开发表报道过该合金相变温度的文献较少。本项目研究综合考虑计算法、连续升温法等两类方法来测定激光3D 打印TA15 钛合金的相变点，可为激光3D 打印TA15 钛合金零部件的热处理制定提供参考。

1 实验材料与方法

本实验采用激光3D 打印TA15 钛合金为研究对象。激光3D 打印粉末采用TA15 球形粉末，粉末粒度为（-140 ～325）目，粉末采用等离子旋转电极法（Plasma Rotating Electrode Process：PREP）制备。本实验激光3D 打印设备主要由YLS-1000 激光器、工业机器手、喷嘴、送粉系统、大型防氧化环境箱、工控柜、水冷系统等构成。采用“氩气置换+铜触媒净化法”使环境箱中的水、氧含量降低至10 ppm 以下，使激光3D 打印过程在氩气保护氛围下进行，防止TC15 钛合金被N、H、O 杂质元素污染，喷嘴保护气体和同轴载粉气体均采用纯氩气。

对激光3D 打印TA15 试样用ICP 进行化学成分（质量百分数）测定，测试结果见表1。

表1 激光熔覆TA15 化学成分单位：%

激光3D 打印TA15 钛合金的原始照片见图1。由图1可知，激光3D 打印TA15 钛合金具有典型的细片层状β转变组织。

本研究激光3D 打印的钛合金试样尺寸为10 mm×10 mm×5 mm，作为连续升温金相法的试样。金相法选择的淬火热处理工艺制度依据为理论计算法，淬火热处理温度间隔为10 ℃，每次热处理保温时间0.5 h（目的是使得试样内外温度均匀），保温结束后将试样迅速放入室温的清水中冷却，待试样完全冷却至室温后[4]，从水中取出进行金相试样制备。待试样制备后，用配比为HF ∶HNO3∶H2O=1 ∶3 ∶10的腐蚀剂进行组织腐蚀，腐蚀时间大约15 ～25 s，之后立马用流动的清水进行冲洗，最后用无水乙醇冲干和电吹风吹干。最后，采用Axio Observer 7 m 光学金相显微镜下进行组织观察并记录。

2 实验结果及讨论

2.1 计算法测定合金相变点

计算法得出的相变温度是金相法制度的基础，计算法是根据激光3D 打印的TA15 钛合金各种元素对相变温度来测算的[5]，其推算公式为：

Tβ=885 ℃+Σ 各元素含量该元素对（α+β）/β 相变点的影响

公式中，885 ℃是纯钛合金相变点。在计算过程中，一定要考虑少量杂质元素对相变温度的影响。

表2 是各类元素对激光3D 打印TA15 合金中的（α+β）/β 相变点影响的参数。其中，差值为“+”时表示是稳定α 元素，可以扩大α 相范围（降低β 相范围），从而提高合金相变点温度；差值为“-”时表示稳定β 元素，可以扩大β 相范围（降低α 相范围），从而降低合金相变点温度。

表2 元素对激光3D 打印TA15 相变点的影响

结合激光3D 打印TA15 化学成分（表1）和元素对激光3D 打印TA15 相变点的影响（表2），计算得激光3D 打印TA15 合金相变温度为：

α 稳定元素对相变温度的影响：

Al：2%×（+14.5 ℃/1.0%）+（6.56-2）%×（+23.0 ℃/1.0%）=+133.88 ℃

Mo：1.79%×（-5.5℃/1.0%）=-9.845 ℃

V：2.20%×（-14℃/1.0%）=-30.8 ℃

β 稳定元素对相变温度的影响：

Fe：0.046%×（-16.5 ℃/1.0%）=-0.7425 ℃

Si：0.048%×（-1 ℃/0.1%）=-0.48 ℃

C：0.020%×（+2 ℃/0.01%）=+4 ℃

N：0.0053%×（+5.5 ℃/0.01%）=+2.915 ℃

H：0.0042%×（-5.5 ℃/0.01%）=-2.31 ℃

O：0.16%×（+2 ℃/0.01%）=+32 ℃

中性元素对相变温度的影响：

Zr：2.13%×（-2 ℃/1.0%）=-4.26 ℃

根据α、β稳定元素以及中性元素对相变温度的影响，计算Tα+β/β：

Tα+β/β=885 ℃+29 ℃+104.88 ℃+4℃+2.92 ℃+32 ℃-0.74℃ -0.48 ℃-30.8 ℃-2.31 ℃-9.85 ℃-4.26 ℃≈1009.4 ℃

从上述计算可知，采用计算法推算出的激光3D 打印TA15 钛合金相变点为100 9.4 ℃左右，理论计算的相变点可为连续升温法提供基础。

2.2 连续升温金相法测定激光3D 打印TA15 合金相变点

连续升温金相法作为测定相变点温度的最常用、最可靠的方法，是研究时首选的方法。研究过程中，首先根据计算法测算出的激光3D 打印TA15 钛合金相变温度，来制定淬火热处理温度范围，热处理温度选择的间隔温度为10 ℃。

试样制备过程中，采用加热、保温以及冷却的工艺，保温结束后快速冷却是为了可靠地得到TA15 钛合金在该热处理温度下的真实显微组织。试样制备后，采用金相分析不同淬火热处理温度下的激光3D 打印TA15 试样微观组织变化规律，其主要需要观察的是热处理试样中初生α 相的变化情况。需要仔细观察初生α 相临消失的温度，该温度基本上可以视为激光3D 打印TA15 钛合金的相变温度。

根据计算法推算出的激光3D 打印TA15 钛合金相变温度1 009.4 ℃，本文选择的淬火热处理工艺温度范围为1 000 ～1 040 ℃，5 组淬火热处理温度依次为1 000 ℃、1 010 ℃、1 020 ℃、1 030 ℃、1 040 ℃，每组淬火温度选择2 个激光3D 打印的TA15 试样，对10 个淬火的试样进行金相分析，分析结果见图2 ～4。

图2 ～4 为激光3D 打印TA15 钛合金在不同淬火热处理温度下得到的显微组织。从图中看出，1000℃淬火后，通过显微镜还能发现合金基体中存在少量的等轴α 相组织。当淬火温度逐渐升高时，等轴α 相的体积分数不断减小；淬火温度增加至1 010 ℃时，在基体中还能观察到少量的等轴α 相。当淬火温度达到1 020 ℃时，等轴α相的含量明显降低为少量，通过测算其体积分数大约为1%左右，同时合金基体组织中还出现了少量的针状马氏体，说明1 020 ℃和相变温度接近了；当淬火温度提高至1 030 ℃和1 040 ℃时，β 晶粒内部初生等轴α 相完全消失，可以观察到白色的大块β 相基体分布着细针状马氏体[6]；表明此温度已进入激光3D 打印TA15 钛合金的β相区。

通过查找相关文献资料表明[7]，当钛合金初生α 相含量降低1%时，相变温度升高1 ℃。因此，可以推断本工艺研究的激光3D 打印TA15 合金（α+β）/β 相变温度为1 021 ℃。

2.3 讨论

根据ICP 方式测试的激光3D 打印TA15 钛合金中的合金化元素及杂质元素含量，并根据各类元素对相变温度的影响，计算出激光3D 打印TA15 钛合金的相变温度为1 009.4 ℃。而采用连续升温金相法测试的合金显微组织对比，得出的激光3D 打印TA15 钛合金的相变温度为1 021 ℃。鉴于本试验选择的淬火热处理间隔小，可以认为连续升温金相法测定的相变温度为更准确。

由于激光3D 打印出TA15 钛合金冷却速率快，导致组织细小且组织中存在相应力，从而使得连续升温金相法和计算法测试的相变点发生偏差。综合考虑，激光3D 打印TA15 合金的相变温度为1 021 ℃。

相变点温度的大小受化学成分的影响很大，相近牌号的钛合金其相变温度也存在很大差异，甚至同一个牌号的钛合金也会因制作工艺、生产厂家不同导致主元素和杂质元素含量存在较大不同，导致相变温度也相差较大。因此，在实际工程应用过程中，为了组织调控、性能提高，在选择热处理工艺制度时，必须获得该状态钛合金的相变温度。