電子束熔絲成形的TC4鈦合金的組織與性能研究

黃志濤, 鞏水利，鎖紅波, 董 偉，楊 帆，楊 光

(中航工業(yè)北京航空制造工程研究所，北京 100024)

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電子束熔絲成形的TC4鈦合金的組織與性能研究

黃志濤, 鞏水利，鎖紅波, 董 偉，楊 帆，楊 光

(中航工業(yè)北京航空制造工程研究所，北京 100024)

研究了采用電子束熔絲成形(EBRM)技術(shù)制造的TC4鈦合金件的組織特征及力學(xué)性能，結(jié)果表明：經(jīng)EBRM技術(shù)得到的TC4鈦合金件宏觀組織為異常粗大的β柱狀晶。經(jīng)熱處理后，顯微組織由片狀初生α相、β轉(zhuǎn)變組織及晶界α相組成；室溫拉伸性能呈現(xiàn)明顯的各向異性，但各方向的強度和塑性均滿足AMS 4999A—2011標(biāo)準(zhǔn)要求，其中，x、y向抗拉強度與自由鍛件實測水平相當(dāng)；室溫沖擊韌度達到70 J/cm2，約為自由鍛件及鑄件實測值的兩倍；光滑試樣軸向加載高周疲勞性能優(yōu)于經(jīng)β熱處理的鍛件；軸向加載低循環(huán)應(yīng)變疲勞性能與鍛件相當(dāng)，但優(yōu)于鑄件。

TC4鈦合金；電子束熔絲成形；力學(xué)性能；各向異性

0 引 言

電子束熔絲成形(electron beam rapid maunfacturing，EBRM)技術(shù)是一種適用于制造大型復(fù)雜金屬結(jié)構(gòu)整體件的先進制造技術(shù)，代表了數(shù)字化制造技術(shù)發(fā)展的新方向[1-3]。與其它金屬結(jié)構(gòu)件快速成形技術(shù)相比，EBRM技術(shù)具有如下特點：①成形速度快，可加工尺寸大，適合大型金屬結(jié)構(gòu)件的高效率制造；②保護效果好，不易混入雜質(zhì)，能夠獲得比較優(yōu)異的內(nèi)部質(zhì)量；③絲材熔化效率高，易清潔，儲運安全；④低消耗、低污染、高效、節(jié)能、環(huán)保。目前，EBRM技術(shù)已在國內(nèi)外得到越來越多的重視，特別是在某些采用傳統(tǒng)方法制造成本高、周期長的大型復(fù)雜金屬結(jié)構(gòu)件制造中，顯示出巨大的應(yīng)用前景。

TC4鈦合金是一種α+β型中強鈦合金，具有良好的綜合性能，被廣泛用于制造蒙皮、壁板、框梁、接頭等飛機結(jié)構(gòu)件[4-5]。若要將EBRM技術(shù)應(yīng)用于TC4鈦合金件制造中，必須保證其力學(xué)性能滿足使用要求。前期研究發(fā)現(xiàn)，采用EBRM技術(shù)制造的TC4鈦合金件內(nèi)部為多重?zé)嵫h(huán)形成的梯度組織，力學(xué)性能具有不均勻性和各向異性，與鍛件還有一定差距。為了獲得匹配良好的綜合力學(xué)性能，需要對EBRM技術(shù)制造的TC4鈦合金件進行性能調(diào)控。本研究在前期研究的基礎(chǔ)上，對經(jīng)過調(diào)控處理的TC4鈦合金件進行了綜合力學(xué)性能的檢測分析，并分別與鍛造和鑄造TC4鈦合金件的實測性能以及HB 5432—1989《飛機用TC4鈦合金鍛件》、AMS 4999A—2011《退火態(tài)Ti-6Al-4V鈦合金激光沉積產(chǎn)品》標(biāo)準(zhǔn)中的要求進行了對比評價，以期為EBRM技術(shù)的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 實 驗

采用化學(xué)成分符合GB/T 3620.1—2007的φ2.0 mm TC4鈦合金絲材，以6 mm厚軋制TC4鈦合金板為基板，在ZD60-60型電子束熔絲成形設(shè)備上成形TC4鈦合金件，主要工藝參數(shù)見表1。成形后對整體件進行熱等靜壓處理，主要工藝參數(shù)為920 ℃、130 MPa、保溫2～2.5 h。之后進行950 ℃×2 h/AC+550 ℃×4 h/AC熱處理，得到成品TC4鈦合金件。

表1 EBRM技術(shù)制造TC4鈦合金件的主要工藝參數(shù)

利用線切割取樣，經(jīng)粗磨、精磨后機械拋光，在V(HNO3)∶V(HF)∶V(H2O)=1∶1∶3的酸溶液中腐蝕后，利用掃描儀、體視顯微鏡或Ceiss金相顯微鏡分別攝取不同比例的低倍照片；在V(HNO3)∶V(HF)∶V(H2O)=3∶1∶40的酸溶液中腐蝕后，用Zeiss Axiovert 200 MAT金相顯微鏡觀察顯微組織。按照GB/T 228—2002《金屬材料 室溫拉伸試驗方法》，采用圓形光滑拉伸試樣，在AG-100kNG型萬能試驗機上進行拉伸試驗，每組取3～5支試樣；根據(jù)HB 5144—1980《金屬材料沖擊韌性試驗方法》進行U型缺口室溫沖擊韌性試驗，每組至少取10支試樣；參考HB 5287—1996《金屬材料軸向加載疲勞試驗方法》，在PLG-100高頻疲勞試驗機上進行高周疲勞試驗；參考GB/T 15248—1994《金屬材料軸向等幅低循環(huán)疲勞試驗方法》，在100 kN MTS810液壓伺服疲勞試驗機上進行低周疲勞試驗。

2 結(jié)果與討論

2.1 宏觀照片及顯微組織

圖1為經(jīng)EBRM技術(shù)制造、未經(jīng)熱處理的TC4鈦合金多層立體堆積整體件的宏觀照片。由該照片可見，其宏觀組織表現(xiàn)為沿堆積高度方向呈粗大的β柱狀晶。根據(jù)柱狀晶/等軸晶轉(zhuǎn)變模型可知[6]，由于熔池底部溫度梯度較高，且在真空環(huán)境內(nèi)，成形過程中熱量散失主要為向下的熱傳導(dǎo)，因此沿高度方向的熱分量大于其它方向的熱分量，又因為鈦合金具有外延生長的特性，所以晶粒向上呈柱狀晶生長。成形過程中，受多次熱循環(huán)與較低冷卻速度的影響，柱狀晶得到了充分長大。

圖1 EBRM技術(shù)制造的TC4鈦合金件的宏觀照片F(xiàn)ig.1 Macrograph of TC4 titanium alloy part manufactured by EBRM

圖2為EBRM技術(shù)制造的TC4鈦合金件經(jīng)熱處理后的顯微組織。從圖2可以看出，在原始β晶粒內(nèi)部，β轉(zhuǎn)變組織上分布著由一定數(shù)量、相互平行的片層狀α相所組成的集團，這些集團交錯編織成網(wǎng)籃狀，角度大小不規(guī)則，且晶界處存在一定數(shù)量的α相。

2.2 室溫拉伸性能

表2為EBRM技術(shù)制造的成品TC4鈦合金件與鍛造及鑄造得到的TC4鈦合金件的室溫拉伸性能對比[7]。由表2可見，經(jīng)化學(xué)成分及熱處理調(diào)控后，利用EBRM技術(shù)制造的TC4鈦合金件的拉伸性能有了明顯提升，在塑性沒有明顯降低的情況下，抗拉強度提高到了70 MPa以上。經(jīng)過調(diào)控后，拉伸性能仍然有較為明顯的各向異性：x、y向強度、塑性相當(dāng)，表現(xiàn)出強度高、塑性低的特點，而z向強度低，塑性好。x、y向抗拉強度分別比z向高72、79 MPa，屈服強度分別比z向高92、94 MPa；z向延伸率和斷面收縮率比x、y向高出許多。

圖2 EBRM技術(shù)制造的TC4鈦合金件經(jīng)熱處理后的顯微組織Fig.2 Microstructure of TC4 titanium alloy part manufacturedby EBRM after heat treatment

成形方式或標(biāo)準(zhǔn)號樣品方向Rm/MPaRP0.2/MPaA/%Z/%電子束熔絲成形調(diào)控處理前調(diào)控處理后xyzxyz87088282095896588678278873786586777312.011.519.611.012.517.42826302927.549.4自由鍛成形(退火態(tài))-96489515.646.5鑄造成形(退火態(tài))-828741520HB5432—1989縱向長橫向短橫向≥895≥895≥895≥825≥825≥825≥10≥10≥8≥30≥25≥20AMS4999A—2011x≥889≥799≥6-y≥889≥799≥6-z≥855≥765≥5-

根據(jù)熱加工工藝及熱處理制度的不同，自由鍛件力學(xué)性能有較大差異。表2所列為經(jīng)兩相區(qū)鍛造，再經(jīng)750 ℃真空退火得到的TC4鈦合金自由鍛件的拉伸性能。對比可見，經(jīng)化學(xué)成分及熱處理調(diào)控后，EBRM技術(shù)制造的TC4鈦合金件x、y向抗拉強度與自由鍛件的實測值相當(dāng)，屈服強度低約30 MPa；x、y向延伸率和斷面收縮率均低于自由鍛件的實測值，z向與之相當(dāng)。與真空退火態(tài)鑄造件相比，其性能均更加優(yōu)異，其中x、y向抗拉強度高出約130 MPa，延伸率高出一倍多。

航空工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HB 5432—1989中對材料強度的要求沒有方向性差異，塑性指標(biāo)沿縱向最高，短橫向最低。經(jīng)化學(xué)成分及熱處理調(diào)控后，EBRM技術(shù)制造的TC4鈦合金件在x、y向的抗拉強度與屈服強度均達到了該標(biāo)準(zhǔn)的要求；z方向抗拉強度與該標(biāo)準(zhǔn)要求接近，但屈服強度低52 MPa；x、y向的延伸率與斷面收縮率均達到了標(biāo)準(zhǔn)縱向、長橫向規(guī)定的要求，z向比標(biāo)準(zhǔn)中短橫向的規(guī)定值高出較多。

經(jīng)化學(xué)成分及熱處理調(diào)控后，EBRM技術(shù)制造的TC4鈦合金件各項性能指標(biāo)完全能夠滿足AMS 4999A—2011標(biāo)準(zhǔn)要求。值得注意的是， HB 5432—1989標(biāo)準(zhǔn)中屈服強度與抗拉強度相差70 MPa，而AMS 4999A—2011標(biāo)準(zhǔn)中兩者相差90 MPa。

2.3 室溫沖擊性能

表3為EBRM技術(shù)制造的成品TC4鈦合金件與鍛造及鑄造得到的TC4鈦合金件的室溫沖擊性能對比。從表3可以看出，EBRM技術(shù)制造的TC4鈦合金件的沖擊韌性沒有表現(xiàn)出明顯的各向異性，各個方向的沖擊韌度均達到或超過了70 J/cm2，是鍛件及鑄件實測值的兩倍以上，高于HB 5432—1989標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 不同方法制造的TC4鈦合金件的室溫沖擊性能

2.4 高周疲勞性能

圖3為Kt=1、R=0.06時，EBRM技術(shù)制造的成品TC4鈦合金件與經(jīng)β熱處理后TC4鈦合金自由鍛件光滑試樣的S-N曲線。由圖3可以看出，經(jīng)EBRM技術(shù)制造的TC4鈦合金件光滑試樣基于107周次的疲勞極限為626 MPa。相同試驗條件下，鍛造得到的TC4鈦合金件光滑試樣的疲勞極限約為430 MPa。

2.5 低循環(huán)應(yīng)變疲勞性能

圖4為應(yīng)變比R=0.1、-1時，不同方法制造的TC4鈦合金件的軸向加載低循環(huán)應(yīng)變疲勞性能測試結(jié)果。由圖4可見，EBRM技術(shù)成品的TC4鈦合金件與自由鍛件的軸向加載低循環(huán)應(yīng)變疲勞性能相當(dāng)，均優(yōu)于TC4鈦合金鑄件。

圖4 不同方法制造的TC4鈦合金件的低周疲勞ε-N曲線Fig.4 Low cycle fatigue ε-N curves of TC4 titanium alloy parts manufactured by different methods

3 結(jié) 論

通過對利用EBRM技術(shù)制造的TC4鈦合金件的力學(xué)性能進行測試，驗證了前期研究中化學(xué)成分和熱處理調(diào)控的效果。經(jīng)調(diào)控后，得到的TC4鈦合金件可獲得良好的綜合性能。

(1)經(jīng)化學(xué)成分及熱處理調(diào)控后，利用EBRM技術(shù)制造的TC4鈦合金件的室溫拉伸性能有顯著提升，但仍表現(xiàn)出較為明顯的各向異性，其x、y向抗拉強度與自由鍛件實測水平相當(dāng)，遠高于真空退火態(tài)鑄件；各方向強度和塑性均滿足AMS 4999A—2011標(biāo)準(zhǔn)要求；x、y向性能均達到HB 5432—1989標(biāo)準(zhǔn)要求，z向與標(biāo)準(zhǔn)要求接近。

(2)EBRM制造的TC4鈦合金件室溫沖擊韌度達到70 J/cm2，約為自由鍛件和鑄件實測值的兩倍，遠高于HB 5432—1989標(biāo)準(zhǔn)要求；光滑試樣軸向加載高周疲勞性能優(yōu)于經(jīng)β熱處理的TC4鈦合金鍛件；軸向加載低循環(huán)應(yīng)變疲勞性能與TC4鈦合金鍛件相當(dāng)，優(yōu)于鑄件。

[1]Taminger K M B, Hafley R A, Dicus D L. Solid freeform fabrication: an enabling technology for future space missions[C]//Proceedings of the 2002 International Conference on Metal Powder Deposition for Rapid Manufacturing. San Antonio,Texas,USA:NASA Langley Research Center, 2002.

[2]Taminger K M B, Hafley R A. Electron beam freeform fabrication: a rapid metal deposition process[C]//Proceedings of the 3rd Annual Automotive Composites Conference. Troy, Michigan, USA: NASA Langley Research Center,2003.

[3]鞏水利, 鎖紅波, 李懷學(xué).金屬增材制造技術(shù)在航空領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用[J]. 航空制造技術(shù), 2013(13): 66-71.

[4]陳彬斌, 龐盛永, 周建新,等. TC4鈦合金掃描電子束焊接溫度場數(shù)值模擬[J]. 焊接學(xué)報, 2013, 34(7): 33-37.

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[6]劉彬,方艷麗,李安,等. TA15鈦合金激光表面重熔快速凝固晶粒異常粗化[J].稀有金屬材料與工程,2009, 38(6): 1005-1009.

[7]中國航空材料手冊編輯委員會. 中國航空材料手冊:第四卷 鈦合金、銅合金[M]. 2版.北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2001.

Microstructure and Properties of TC4 Titanium Alloy Manufactured by Electron Beam Rapid Manufacturing

Huang Zhitao，Gong Shuili，Suo Hongbo，Dong Wei，Yang Fan, Yang Guang

(Beijing Aeronatical Manufacturing Technology Research Institute, Beijing 100024, China)

TC4 titanium alloy part was prepared by electron beam rapid manufacturing (EBRM)method, and the microstructure and mechanical properties of EBRM TC4 titanium alloy part was studied. The results show that TC4 titanium alloy part exhibits large columnarβgrains，and the microstructure is made of primaryαphase,βtransformation microstructure and grain boundaryαphase after heat treatment. The tensile properties have anisotropy obviously, but the strength and ductility in all directions can meet the standard requirements of AMS 4999A—2011.The tensile strength inxandydirections can meet the measured level of TC4 titanium alloy forging. The room-temperature impact toughness is 70 J/cm2, which is about twice of forging and casting measured values.The axial loading high cycle fatigue performance of EBRM TC4 titanium alloy piece is better than that of beta heat treatment forging piece, the axial loading low cycle strain fatigue properties of EBRM TC4 titanium alloy piece is the same as forging piece, which is better than that of TC4 titanium alloy casting.

TC4 titanium alloy; electron beam rapid manufacturing; mechanical properties; anisotropy

2016-06-20

國家預(yù)研基金資助項目( 51318030203)

黃志濤(1982—)，男，工程師。

TG146.2+3

A

1009-9964(2016)05-0033-04