激光沉積修復BT20鈦合金成形特性及其組織

沈陽航空航天大學航空制造工藝數(shù)字化國防重點學科實驗室 王 維 蔡 淦 欽蘭云 楊 光 卞宏友 王 偉

BT20鈦合金屬于近α型鈦合金,其相變點為990℃～1020℃，且中等室溫、高溫強度以及熱穩(wěn)定性和焊接性能較好，因此BT20鈦合金廣泛應用于飛機發(fā)動機和焊接承力件[1]。在BT20鈦合金服役和加工過程中難免造成表面損傷,需要對表面損傷進行修復。傳統(tǒng)的修復加工方法有TIG焊、MIG焊、堆焊、熱噴涂、電刷鍍、真空電子式束焊接等，但是這些修復方法有著自己的缺點,如傳統(tǒng)焊接修復輸入熱量大，組織粗大，熱影響區(qū)大，且容易變形；熱噴涂結(jié)合力差，孔隙率高；電刷鍍效率低，價格昂貴，鍍厚有限；真空電子束焊接對環(huán)境要求苛刻[2-3]。而激光沉積修復具有熱影響區(qū)小、與基材形成冶金結(jié)合、易于實現(xiàn)自動化等特點，另外，激光沉積修復方法具有快速凝固的特性也使得修復層組織性能優(yōu)于傳統(tǒng)修復方法[4-5]。相關(guān)文獻研究表明，激光沉積成形過程中加工工藝參數(shù)對其形貌特征及缺陷影響較大[6-9]，沉積修復層組織異于基材，其結(jié)晶體現(xiàn)了快速凝固的特點[10]。

本文通過試驗研究激光沉積修復BT20鈦合金結(jié)構(gòu)件的成形特性，并對修復件的宏觀形貌、微觀組織以及內(nèi)部出現(xiàn)的缺陷進行了觀察，分析了修復試件頂部宏觀形貌出現(xiàn)特征以及影響因素，分析了修復件內(nèi)部組織及其成因，并針對可能出現(xiàn)的缺陷類型提出了改善的措施。

1 試驗

試驗系統(tǒng)的原理如圖1所示。鈦合金激光沉積成形系統(tǒng)主要由5kW激光器、數(shù)控工作臺、刮擺式送粉器、同軸送粉噴嘴、惰性氣體動態(tài)保護裝置(真空度可達10～2Pa，充純度99.99%氬氣，氧氣含量小于50ppm）等組成。試件檢測采用OLYMPUS-DP71型光學顯微鏡分析組織。

圖1 試驗系統(tǒng)原理圖Fig.1 Diagram of experim enta l system

試驗采用的激光加工工藝參數(shù)如表1所示。試驗用基材為BT20合金，沉積材料為球形BT20粉,其化學成分如表2所示。試驗前用砂紙打磨掉氧化層，用丙酮清洗去除表面油污及雜質(zhì)，將基板和粉末在真空干燥機中、150℃條件下干燥10h。

表1 激光加工工藝參數(shù)

表2 BT20 合金成分

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 修復件的宏觀形貌

沉積修復過程中激光照射粉末和基材使得粉末和基材熔化，形成熔池。熔池受到基材和液體、液體和氣體、基材和氣體3個界面之間張力FSL，F(xiàn)LV，F(xiàn)SV作用（如圖2所示），冷卻后使得單道沉積層形貌為脊隆狀。沉積過程的實質(zhì)就是眾多的單道脊隆沿著平面方向和高度方向熔合在一起形成沉積層。圖3所示為采用Y方向往復掃描沉積修復BT20的典型表面形貌，表面可以看見多道突起的脊隆形貌。

圖2 粉末熔化形貌Fig.2 Appearance of molten powder

圖3 修復表面典型宏觀形貌Fig.3 Typical macroscopic appearance on repaired surface

脊隆表面形貌為魚鱗狀波紋，波紋間距大致相等，圓弧偏向掃描方向。其形成原因是，熔池沿著激光掃描方向，以及熔池上下表面存在溫度梯度，導致液體發(fā)生動態(tài)表面波動，從而形成魚鱗波紋。在沉積層上表面和側(cè)表面可見一部分小的顆粒狀圓球，這是由于粉末未被熔池捕獲吸收而發(fā)生反彈造成的。上表面顆粒會被下一次的沉積過程熔化，側(cè)表面的顆粒則不斷積累。反彈的本質(zhì)原因是，熔池直徑小于粉末在基材表面的匯聚直徑所致。反彈一方面降低了對粉末的利用率，另一方面也增加了成形件的表面宏觀不平度。

圖4所示沉積試件中間較高，邊緣稍低，呈弧狀形貌。其原因主要有3點：首先，在沉積時粉末發(fā)生反彈，基材中間部分反彈的粉末落下后仍在中間區(qū)域，下一道沉積時反彈在基板上的粉末相當于預置涂層而被熔化，而邊緣部分的粉末則彈落在外圍，這樣會造成邊緣沉積高度減少。

圖4 宏觀不平整形貌Fig.4 Macroscopic undulate appearance

其次，邊緣和中間區(qū)域的溫度累積高低不同，使得中間和邊緣沉積高度有差異。使用實時跟蹤紅外測溫儀測量沉積過程中熔池溫度，其中每隔10s完成一個方向的掃描，自基材端部開始計時，結(jié)果如圖5所示?？梢?，由于掃描方向轉(zhuǎn)折處溫度累積效應大于中間區(qū)域，因此轉(zhuǎn)折處附近的熔池溫度較高，熔池的高溫度使得液體潤濕角變小，導致單道沉積層在高度方向上減少。

圖5 熔池溫度隨時間變化圖Fig.5 change of Molten pool temperature with

圖6 離焦量對成形高度差影響原理Fig.6 Influence mechanism of de focus distance on height difference

另外，伴隨著反彈和掃描路徑溫度累積所造成的影響，邊緣地方總是偏低，使得Z軸單道行程和實際沉積高度不一致性增加。通常激光修復過程為正離焦量（如圖6所示），已經(jīng)形成的高度差使邊緣地區(qū)激光光斑直徑變大，能量密度降低，捕獲的粉末量減少，加劇了沉積高度差的形成。

2.2 修復層內(nèi)部組織

圖7所示為垂直于掃描方向上的微觀組織照片。從圖7（a）中自頂部依次可以分為3個區(qū)域：基材、熱影響區(qū)、沉積區(qū)。從圖中可見基材和修復區(qū)的結(jié)合部位接合狀況良好，無微觀間隙，為致密的冶金結(jié)合。圖中還可見沉積區(qū)為外延生長的柱狀晶，柱狀晶晶粒粗大，尺寸不均勻，并且貫穿多個沉積層。由于結(jié)晶學取向不同，柱狀晶呈現(xiàn)明暗交替生長。形成柱狀晶的主要原因是鈦合金的傳熱性不好，上下溫度梯度比較大，而材料的結(jié)晶方向與溫度梯度方向相同。

圖7（b）為基材的顯微組織，基材為鍛材，可見其組織為尺寸相近的等軸α和晶間β組織。

圖7 試件不同區(qū)域組織Fig.7 Microstructure of specimen in different zones

圖7（c）所示為基材上熱影響區(qū)的微觀組織形貌，可見由基材到熱影響區(qū)等軸α組織逐漸減少，逐漸演變?yōu)榈容Sβ組織。這是由于激光沉積過程中處于熱影響區(qū)的位置的基材受到上層熔池的加熱作用，相當于進行了一次熱處理，基材受熱溫度高于α轉(zhuǎn)變溫度，使得部分α組織轉(zhuǎn)變?yōu)棣陆M織，隨后的快冷導致β無法轉(zhuǎn)變?yōu)棣两M織。越靠近沉積層部分，溫度越高，導致α組織轉(zhuǎn)化為β組織越多。

圖7（d）所示為沉積層高倍微觀組織。其組織為細小α片層交織的網(wǎng)籃狀組織，其中α取向隨機多樣，屬于快速凝固的組織特性。形成網(wǎng)籃組織的原因為，激光沉積過程中的熱量相當于對其進行了一次β相區(qū)變形處理，而在α+β區(qū)終止變形，這時便得到網(wǎng)籃組織。圖中有部分條狀α組織變大趨向于層狀和球化的特征，可能因為α穩(wěn)定元素少量偏析所致。

2.3 修復層組織內(nèi)部缺陷

激光沉積修復過程中最易于出現(xiàn)氣孔和熔合不良的缺陷。如圖8所示為氣孔缺陷，其形貌特征為球形或者近球形。圖8（a）所示為基材和粉末未經(jīng)干燥處理直接沉積后的氣孔缺陷，發(fā)現(xiàn)氣孔缺陷較多。這是由于基材和粉末在熱量作用下會釋放氣體，因為熔池的凝固速度太快，導致形成的氣體來不及溢出，殘存在其中，熔池凝固后形成氣孔缺陷。圖8（b）為粉末和基材干燥后沉積的氣孔缺陷，發(fā)現(xiàn)氣孔缺陷明顯減少，僅在局部偶爾出現(xiàn)。

熔合不良缺陷是沉積過程中最主要的缺陷問題，主要為層間熔合不良和道間熔合不良。熔合不良形成原

圖8 氣孔缺陷Fig.8 Pore defects

圖9 熔合缺陷Fig.9 Fusion defects

因可歸結(jié)于激光照射過程中的能量不足以使粉末熔化。如圖9（a）所示為層間熔合不良形貌，層間熔合不良缺陷呈長條狀沿著掃描方向分布。試驗表明，避免層間熔合不良缺陷可以通過增加單位質(zhì)量粉末吸收的能量來避免層間熔合不良，如提高功率，降低掃描速度，減少送粉量均可提高單位質(zhì)量粉末吸收的能量。使用功率除以送粉率與掃描速度的乗積的比值來衡量單位質(zhì)量粉末單位時間內(nèi)吸收能量大小，結(jié)果顯示，當比值大于1.3×109W s2/gmm時層間融合不良完全消失。圖9（b）所示為道與道間熔合不良缺陷，其形貌特點為孤立的三角形形貌。道間熔合不良缺陷主要是因為搭接率較小引起道邊緣的能量密度較小，不足以熔化邊緣粉末所致。這是因為激光光斑的能量分布并不均勻，而是呈高斯分布，光斑邊緣能量密度較小。試驗表明，通過適當提高搭接率，對已沉積部分的邊緣進行重疊加熱熔化，增加邊緣單位質(zhì)量粉末吸收的能量，可以避免道間熔合不良缺陷。當搭接率大于30%時，無道間熔合缺陷。

3 結(jié)論

（1）沉積層表面為脊隆狀形貌，整個沉積層是脊隆的橫向和縱向的熔合形成；由于熔池存在溫度梯度，成形件表面形成魚鱗狀波紋，波紋方向與掃描方向相同。粉末反彈造成上表面和側(cè)表面有顆粒狀圓球。由于反彈，邊緣溫度累積，離焦量的影響使得試件中間區(qū)域和邊緣地區(qū)存在高度差。

（2）基材與沉積層之間存在熱影響區(qū)，越靠近沉積層部分等軸α含量越少，β組織越多。沉積層的宏觀組織為外延生長的粗大柱狀晶組織，柱狀晶貫穿多個沉積層，且大小不均勻。沉積層微觀組織為條狀α編織成的網(wǎng)籃組織。

（3）沉積件內(nèi)部氣孔缺陷形貌為球形和類球形，分布具有隨機性。氣孔缺陷是由于凝固過程中外部引入的氣體來不及溢出導致。沉積層的熔合不良缺陷分為層間熔合不良和道間熔合不良，兩者出現(xiàn)的原因都是因為單位質(zhì)量粉末吸收能量低，通過增加功率，降低掃描速度，減少送粉量以及適當提高搭接率，可以減少缺陷的形成。

[1] 王桂生.Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V合金組織與性能的研究.稀有金屬,1995,19(5):352-356.

[2] 李愛剛,葉劍,王豐,等.電動機轉(zhuǎn)子軸激光修復試驗研究.新技術(shù)新工藝,2012 (9):76-79.