HIP温度对SLM制备TC4钛合金组织和力学性能的影响

吕周晋，李好峰，车立达，吴战芳，翟一多，崔晓敏，李向阳

（1.钢研昊普科技有限公司，北京 100081；2.中国钢研科技集团有限公司，北京 100081）

TC4钛合金最初是由美国Illinois技术研究所为飞机结构应用而开发的（α+β）型两相钛合金，作为最经典的钛合金牌号，广泛应用于航空航天、航海船舰、生物医疗等领域[1-3]。激光选区熔化（Selective laser melting，SLM）技术是3D打印技术的一种，具有开发周期短、加工精度高、可成型零件自由度高等特点[4-6]。然而，由于SLM成型极快的冷却速率，成型的TC4工件显微组织中会形成大量针状α′马氏体相，降低工件的塑性和韧性，且材料内部存在较大残余热应力，导致工件容易开裂和变形。另外，材料内部可能会存在微小的孔洞缺陷，这些缺陷在工件承受载荷时往往会成为裂纹萌生的起始点，加速了工件的疲劳失效。针对上述问题，国内外专家学者从调控SLM成型参数和优化后续热处理工艺两个方面进行了大量研究[7-9]。然而，普通热处理无法消除材料内部微小孔洞等缺陷。热等静压技术（Hot isostatic pressing，HIP）可以显著改善工件组织，消除内部孔隙，提升材料综合力学性能，特别是疲劳性能。目前，在航空航天等领域的高附加值精密铸件都需要进行热等静压处理，该方法已成为国际通用做法和必要的工序[10]。热等静压处理是一个高温、高压共同作用的过程，温度和压力必然会对材料的相变和界面反应产生影响，热等静压处理过程中各工艺参数都起着至关重要作用。目前国内外关于热等静压制度对SLM成型TC4钛合金性能影响的研究报道还较少。基于上述认识，本文选择SLM成型的TC4钛合金为研究对象，研究不同热等静压工艺参数对TC4钛合金微观组织及力学性能的影响规律，为SLM成型的TC4钛合金件热等静压处理工艺制定提供参考。

1 试验材料及方法

以电极感应熔炼气雾化技术制备的TC4钛合金粉末作为SLM成型材料，粉末粒径范围为φ15～75μm，平均粒径φ39.4μm，化学成分如表1所示。TC4钛合金SLM成型采用BLT-S310设备，以体积分数为99.9%的高纯氩气为保护气体，Z轴为成型方向，成型件尺寸为φ12 mm×65 mm，具体成型参数见表2。成型后试样用RD-80热等静压设备进行热等静压处理，温度分别为（910、930和950℃），压力为110 MPa，保温保压时间为2 h。对经打磨和抛光的试样用体积比为HF:HNO3:H2O=1:2:17的Kroll试剂进行金相腐蚀，采用Leica Dmirm光学显微镜和FEI Quanta 650 FEG型扫描电镜观察和分析试样的微观组织，采用ML-204型密度测量仪利用阿基米德排水法测量TC4钛合金的密度。参照GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》在ETM105D型微机控制电子万能试验机上测试试样的室温拉伸性能，借助德国蔡司EVO25型扫描电镜观察拉伸试样的断口形貌。

表1 TC4钛合金粉末的化学成分（质量分数，%）Table 1 Chemical composition of the TC4 titanium alloy powder（mass fraction，%）

表2 TC4钛合金SLM成型参数Table 2 SLM forming parameters of the TC4 titanium alloy

2 试验结果及分析

2.1 密度

TC4钛合金的密度测试结果如图1所示。根据计算，TC4钛合金在理论密度约为4.42 g/cm3。本次试验SLM成型后TC4钛合金密度已达4.394 g/cm3，致密度约为99.4%。经过3种不同热等静压处理温度后，材料密度都达到4.415 g/cm3以上，致密度超过99.8%，近乎达到理论密度。热等静压处理能愈合TC4钛合金材料内部微小孔隙缺陷，进一步提高SLM成型TC4钛合金材料的致密度。

图1 不同温度热等静压处理TC4钛合金的密度Fig.1 Density of the TC4 titanium alloy treated by hot isostatic pressing at different temperatures

2.2 微观组织

SLM成型后TC4钛合金试样的微观组织如图2所示，横截面和纵截面都未观察到明显的孔隙缺陷存在，与密度测试结果相符。图2展示了典型的SLM成型TC4钛合金的微观组织结构，横截面和纵截面都可以观察到明显的初生β晶粒边界，横截面微观组织由晶粒尺寸约110μm左右的等轴状初生β晶粒组成，纵截面微观组织由呈外延生长的柱状初生β晶粒组成。柱状晶的宽度与横截面等轴晶的晶粒尺寸相当，Kumar等[7]认为这个尺寸是由激光扫描间距决定的。初生β晶粒内部交错分布着不同取向的针状α′马氏体相，在SLM成型过程中，当激光束移开某一熔池单元时，SLM熔池以超快冷却速率和极高温度梯度由液相转变为初生β相。当温度降低到β相转变温度以下时，由于冷却速率远快于马氏体临界冷却转变速度，初生β相转变为细针状α′马氏体相[11]。从SLM成型后TC4试样的SEM图像中可以观察到，在部分较粗大针状α′马氏体相内分布着白色纳米点簇。据Ali等[12]报道，这种纳米点簇为纳米级β相，SLM成型过程中，在纯Ar气条件下，纳米β相在初生马氏体间形核生长。

图2 SLM成型态试样的微观组织Fig.2 Microstructure of the specimen formed by SLM

图3为不同热等静压处理温度试样微观组织形貌。由于热等静压处理都是在α+β两相区之间完成，经3种热等静压制度处理后TC4钛合金的显微组织都由α相和β相组成，呈现出相近的形貌。随着热等静压处理温度的升高，板条状α相发生粗化，短棒状α相增多。经过910℃-110 MPa-2 h热等静压处理后，TC4钛合金试样的α相呈现板条结构，少量呈现短棒状结构。根据不同晶粒内α相的取向，可识别出初生β晶粒的边界。经过930℃-110 MPa-2 h热等静压处理后，α相粗化加重，α相数量减少。经过950℃-110 MPa-2 h热等静压处理后，β相数量明显增多，α相进一步粗化。与晶内α相相比，在初生β晶粒边界位置的α相较粗大。

从SEM分析结果可以看出，试样中的显微组织中存在两种β相，一种是在α相边界形成的不规则微米级β相，另一种是在α板条结构内部弥散分布的纳米点状β相。SLM成型后试样显微组织最初由针状α′马氏体相组成。在α+β两相区热等静压处理过程中，α相沿马氏体相边界成核，V原子被排出，导致β在α相边界处形成[13]。随着热等静压处理温度的升高，α板条粗化，β相也随之长大。从图3（f）可以观察到，经过950℃-110 MPa-2 h热等静压处理后的较大β相等效直径达到φ2.4μm。运用图像分析软件ImageJ对SEM图像进行处理，计算得到不同热等静压温度处理后β相含量。结果表明，随着热等静压处理温度的升高，β相含量升高。3种制度热等静压处理后β相的体积分数分别为10.29%、11.93%和18.6%。

图3 不同温度热等静压处理TC4钛合金的微观组织Fig.3 Microstructure of the TC4 titanium alloy treated by HIP at different temperatures

2.3 拉伸性能

图4为SLM成型TC4钛合金不同温度热等静压处理后的室温拉伸性能。所有试样的力学性能都满足ASTM F2924-14“Standard specification for additive manufacturing Titanium-6 Aluminium-4 vanadium with powder bed fusion”标准中的要求（Rm≥895 MPa、Rp0.2≥825 MPa、A≥10%）。SLM态试样的抗拉强度为1226 MPa，屈服强度为1103 MPa，断后伸长率为10.3%，断面收缩率为41%。经910℃-110 MPa-2 h的热等静压工艺处理得到的TC4钛合金获得最优的强韧性匹配，抗拉强度为1000 MPa，屈服强度为930 MPa，断后伸长率和断面收缩率分别达到16.5%和46%。随着热等静压处理温度升高，材料的抗拉强度和屈服强度呈现降低的趋势，断面收缩率也呈下降趋势。

图4 热等静压温度对SLM成型TC4钛合金拉伸性能的影响Fig.4 Effect of HIPtemperature on tensile properties of the TC4 titanium alloy formed by SLM

图5为不同热等静压处理温度下SLM成型TC4钛合金的断口形貌。SLM成型后未经热等静压处理的TC4试样断口形貌表现为河川状穿晶解理与少量韧窝并存的混合断裂机制。不同热等静压处理温度后TC4试样的断口形貌中都可观察到明显的深而密的韧窝，表现出典型的韧性断裂特征，表明材料具有较好的韧性。

图5 不同温度热等静压处理TC4钛合金的断口形貌Fig.5 Fracture morphologies of the TC4 titanium alloy treated by HIP at different temperatures

TC4钛合金的力学性能主要由α′相、α相和β相的含量和组织形貌有关[14]。SLM成型后TC4钛合金组织内的针状马氏体α′相具有强度高、塑性低的特点。经过热等静压处理后，如预期结果一致，材料的抗拉强度和屈服强度都有所降低，断后伸长率和断面收缩率升高，表明材料的塑性提高。通过910℃-110 MPa-2 h的热等静压处理后，材料的断后伸长率从SLM态的10.3%升高到16.5%，提升60%。由于热等静压处理是在β相转变温度以下的α+β两相区完成，亚稳态的针状α′马氏体相分解成α+β网篮结构的稳定组织，导致材料的强度降低，塑性提高。在热等静压处理过程中，还发生着α相向β相转变以及α相和β相的粗化。910℃热等静压处理试样的细小α相较多，受力变形后可快速分散，而不至于在个别晶粒产生应力集中，因此表现出较好的韧性[15]。随着热等静压处理温度的升高，一方面α相含量减少，β相含量增加，材料的塑性提高；另一方面，α相和β相粗化，板条α相之间相互吞并长大，塑性降低。板条α相尺寸增大，导致变形滑动距离增加，最终导致材料的强度降低[15]。

3 结论

本文以SLM成型的TC4钛合金为研究对象，研究了在β相转变温度以下3种温度热等静压处理工艺对材料微观组织和力学性能的影响，得出以下结论。

1）SLM成型后TC4钛合金密度为4.394 g/cm3，热等静压处理后，材料密度达到4.415 g/cm3以上，致密度超过99.8%，近乎达到理论密度。

2）热等静压处理后，TC4钛合金的组织由α相和β相组成。随着热等静压处理温度的升高，α相含量降低并粗化成短棒状，β相含量增多并且发生一定粗化。

3）TC4钛合金的力学性能主要与α′相、α相和β相的含量和组织形貌有关。随着热等静压处理温度升高，材料的抗拉强度和屈服强度呈现降低的趋势，断面收缩率也呈下降趋势。经910℃-110 MPa保温2 h的热等静压制度处理的TC4钛合金获得最优的强韧性匹配，抗拉强度为1000 MPa，屈服强度为930 MPa，断后伸长率和断面收缩率分别达到16.5%和46%。